In this thesis, we study certain non-perturbative aspects of N=1 gauge theories. We show how to compute the expectation values of chiral operators (i.e., those that preserve the anti-chiral supercharges) exactly from a first-principle approach based on the path integral over the microscopic fields. The text is divided into two parts. The first one consists of an original introduction to the tools that underlie the researches and results obtained during this thesis. After a general introduction, we present some methods to obtain exact results. Covered topics include instantons, N=2 supersymmetry and localization, N=1 supersymmetry and holomorphy, and finally the Dijgraaf-Vafa matrix model formalism and the perturbative generalized Konishi anomaly equations. These preliminaries were chosen to enlighten the presentation of our results. A brief overview of our results is then. This includes localization in some N=1 gauge theories, its applications to the computation of chiral correlators as well as a non-perturbative discussion of the generalized Konishi equations and of the Dijkgraaf-Vafa glueball superpotential. We insist on the ideas and the results, postponing the details for the second part, which consists of a faithful reproduction of the papers published during this thesis and in which the author has been involved. / Dans cette thèse, nous étudions certains aspects non-perturbatifs des théories de jauge supersymétriques N=1. Plus précisemment, nous montrons comment les valeurs moyennes des opérateurs chiraux (qui préservent la moitié des supercharges) dans les vides quantiques peuvent ^etre calculées sans approximations, à partir d'une approche basée sur l'intégrale fonctionnelle sur les champs microscopiques. Ce mémoire est divisé en deux parties. La première consiste en une introduction à l'approche microscopique des théories de jauge supersymétriques. Une grande fraction de celle-ci est dédiée à la présentation des concepts et méthodes qui sont à la base du développement de ce formalisme et de nos recherches. Ceci inclut les instantons, la supersymétrie N=2 et la localisation dans l'intégrale fonctionnelle, la supersymétrie N=1 et l'holomorphie, et enfin l'approche de Dijkgraaf-Vafa basée sur un modèle de matrices et les équations d'anomalie généralisées de Konishi. Ensuite, nous présentons le formalisme microscopique et les résultats obtenus durant cette thèse. Nous expliquons comment utiliser la technique de localisation dans certaines théories de jauge N=1 et comment l'appliquer au calcul des valeurs moyennes des opérateurs chiraux. Nous discutons également de façon non-perturbative les équations d'anomalie généralisées de Konishi et le superpotentiel de Dijkgraaf-Vafa. La plupart des résultats exacts connus dans les théories de jauge N=1 sont reproduits, dont la condensation des gluinos et la brisure de la symétrie chirale. Nous insistons sur les idées et les résultats plutôt que sur les détails techniques. Ceux-ci sont décrits dans la seconde partie de ce mémoire, qui consiste en une reproduction fidèle des travaux publiés durant cette thèse.

Les effets non-perturbatifs jouent un rôle extrêmement important dans la physique théorique contemporaine. Par exemple, ils sont connus d’être responsables de divers phénomènes physiques tels que le confinement des quarks et les dualités. Une arène particulièrement riche pour ces effets est fournie par des théories de jauge et des cordes. En particulier, pour les théories avec la supersymétrie N=2 à 4 dimensions, les années récentes ont marqué un progrès remarquable en compréhension leur dynamique non-perturbative. Peut-être un des résultats les plus intrigants est l'apparition de l’intégrabilité dans plusieurs problèmes de cette sorte. Ces résultats fournissent des relations non-triviales entre différents systèmes physiques et constructions mathématiques et donnent l’espoir que beaucoup de problèmes de longue date peuvent être en fait exactement solubles. La thèse est supposée d’explorer ces relations entre les effets non-perturbatifs et l’intégrabilité. Plus précisément, il est suggéré d'étudier le problème des compactifications des théories des cordes qui préservent la supersymétrie N=2. Leur action effective à basses énergies est complètement déterminée par une métrique sur un certain espace de modules qui est connu à recevoir des corrections instantoniques. Bien que beaucoup d'entre elles aient été déjà trouvées, la description non-perturbative complète est encore absente. D'autre part, sa importance va beaucoup au delà de l'action effective mentionnée ci-dessus puisqu'elle devrait contenir des informations sur la S-dualité, symétrie miroir non-perturbative, croisement de murs, trous noirs supersymétriques. Ainsi, le travail dans cette direction permettra non seulement obtenir des résultats intéressants, mais étudier également beaucoup de proches sujets dans la théorie des cordes, mathématiques et d'autres domaines de recherche. / Non-perturbative effects play an extremely important role in the moderntheoretical physics. For example, they are known to be responsible forvarious physical phenomena such as confinement and dualities.An especially rich arena for these effects is provided by gauge andstring theories. In particular, for theories with N=2 supersymmetry in4 dimensions, recent years marked a remarkable progress in understandingtheir non-perturbative dynamics. May be one of the most intriguing findingsis the appearance of integrability in several, sometimes differentlylooking problems. These results provide non-trivial relations betweendifferent physical systems and mathematical constructions and givea hope that many longstanding problems can be in fact exactly solvable.The thesis is supposed to explore these relations between non-perturbativeeffects and integrability. More precisely, it is suggested to study the problemof compactifications of string theories which preserve N=2 supersymmetry.Their low-energy effective action is completely determined by a metricon a certain moduli space which is known to receive instanton corrections.Although many of them have been already found, the complete non-perturbativedescription is still out of reach. On the other hand, its relevance goes muchbeyond the effective action mentioned above since it should encode informationabout S-duality, non-perturbative mirror symmetry, wall-crossing, supersymmetricblack holes. Thus, working in this direction would allow not only to obtaininteresting results, but also to study many related subjects in string theory,mathematics and other research areas.

Cette thèse s'attache à comprendre le rôle du champ de fond antisymétrique B en théorie des cordes. Nouveauté essentielle et prometteuse par rapport à la théorie des champs, puisqu'il accompagne naturellement la courbure de l'espace-temps g, son importance a été soulignée ces dernières années dans différents domaines, auxquels j'ai tenté de contribuer. Le premier chapitre étudie la transformation de Seiberg-Witten, qui relie des branes ordinaires plongées dans un champ B à des branes non-commutatives. A la recherche d'une expression explicite sur le secteur de jauge, il tente d'en éclaircir la signification. Le chapitre 2 s'attaque à la dynamique non abélienne des branes M5 en M-théorie. Par différentes approches, supersymétrique ou plus géométrique, je tente d'y proposer un contenu en champs pour un paquet de N M5-branes, expliquant leur anomalie en N^3. Ces champs formeraient alors une version non-abélienne des théories de jauge à connexion tensorielle. Enfin, la présence d'un champ B autorise des variétés de compactification plus générales que les espaces de Calabi-Yau, dites variétés à structure SU(3). La symétrie-miroir peut être étendue dans ce cadre, en la décrivant comme une T-dualité le long d'une fibration toroïdale. Sa description géométrique met alors en jeu les composantes de la torsion intrinsèque, qui sont mélangées à celles de la courbure H=dB, ainsi que je le détaille dans le chapitre 3.

Le mécanisme d'instabilité gravitationnelle d'un champ de Yang-Mills est étudié via l'intégration numérique de la formulation hamiltonienne du système Einstein-Yang-Mills décrivant le couplage d'un champ de jauge à la gravitation. Une évolution en deux temps est mise en évidence: une dilution des fluctuations, conséquence de l'invariance conforme du champ, apparaît en premier lieu ; elle est suivie d'un régime d'oscillations croissantes lorsque l'on s'éloigne suffisamment de la solution homogène. Une comparaison instructive avec le mécanisme d'instabilité gravitationnelle du champ scalaire est également envisagée. Enfin, nous avons étudié l'influence de champs scalaires de quintessence sur la formation d'amas de matière noire grâce à la modification d'un code à N particules. Ceux-ci inhibent la formation des amas, en privilégiant des structures moins nombreuses et de faible masse, tout en produisant des différences assez significatives que pour permettre de discerner non seulement un modèle avec quintessence d'un autre plus conventionnel (avec constante cosmologique) mais également les divers modèles de quintessence entre eux. / The gravitational instability of Yang-Mills fields is studied by means of a numerical integration of the hamiltonian formulation of Einstein-Yang-Mills equations, which describe the coupling between gravitation and a gauge field. A two-step evolution appears to rule this mechanism: the fluctuations first dilute, as a sequel of the conformal invariance of the gauge theory; then, the fluctuations undergo oscillations of increasing amplitude as the solution moves away from the homogeneous one. An interesting comparison with the gravitational instability of a scalar field has also been made. Finally, we have established that the quintessence scalar fields inhibit the formation of dark matter halos. By analysing the results of a modified N-body code, we show that those fields produce less structures and lighter halos, and lead to significative differences that allow to distinguish either a quintessence scenario from a more conventional one with a cosmological constant either different quintessence models.

Un des problèmes les plus intrigants de la physique moderne est l'identification de la nature d'une composante de matière non-relativiste présente dans l'univers, contribuant à plus de 25% de sa densité d'énergie totale, appelée matière noire. Les particules "WIMPs" (Weakly Interacting Massive Particles) sont parmi les catégories de candidats à la matière noire les plus considérées. Cependant, en l'absence de résultats concluants d'expériences de détection directe, indirecte et auprès de collisionneurs de particules, la première partie de cette thèse est dévouée à l'étude du paradigme "WIMP" dans le contexte de modèles simplifiés. Des modèles considérant des extensions de jauge sont étudiés par la suite tels que des théories présentant des couplages de Chern-Simons ainsi qu'un modèle motivé par l'observation récente d'anomalies dans le domaine de la physique la saveur lié à l'observable RK(*). La deuxième partie de cette thèse est dévouée à l'étude de mécanismes alternatifs de production thermique de matière noire en particulier en considérant une réalisation spécifique du mécanisme "SIMP" (Strongly Interacting Massives Particles) dans le contexte d'une symétrie de jauge non-abélienne cachée. Dans une dernière partie, la possibilité de produire une composante de matière noire de manière non-thermique à travers le mécanisme "freeze-in" est étudiée. En particulier, le fort impact de l'époque post-inflationnaire de l'univers sur la production de densité de matière noire est illustré par l'étude d'un modèle de matière noiremédiée par un champ de spin 2 massif en plus du graviton standard. / One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25% of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by some recently observed flavor anomalies related to the RK(*) observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the postinationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.

Les calculs de précision dans les théories de jauge jouent un rôle très important pour l'étude de la physique du Modèle Standard et au-delà dans les super-collisionneurs de particules comme le LHC, TeVatron et ILC. Par conséquent, il est extrêmement important de fournir des outils du calcul d'amplitudes à une boucle stables, rapides, efficaces et hautement automatisés. Cette thèse a pour but de développer la bibliothèque d'intégrales Golem95. Cette bibliothèque est un programme écrit en Fortran95, qui contient tous les ingrédients nécessaires pour calculer une intégrale scalaire ou tensorielle à une boucle avec jusqu'à six pattes externes. Golem95 utilise une méthode traditionnelle de réduction (réduction à la Golem) qui réduit les facteurs de forme en des intégrales de base redondantes qui peuvent être scalaires (sans paramètres de Feynman au numérateur) ou tensorielles (avec des paramètres de Feynman au numérateur); ce formalisme permet d'éviter les problèmes de l'instabilité numérique engendrés par des singularités factices dues à l'annulation des déterminants de Gram. En plus, cette bibliothèque peut être interfacée avec des programmes du calcul automatique basés sur les méthodes d'unitarité comme GoSam par exemple. Les versions antérieures de Golem95 ont été conçues pour le calcul des amplitudes sans masses internes. Le but de ce travail de thèse est de généraliser cette bibliothèque pour les configurations les plus générales (les masses complexes sont incluses), et de fournir un calcul numériquement stable dans les régions problématique en donnant une représentation intégrale unidimensionnelle stable pour chaque intégrale de base de Golem95.

Les algèbres d'endomorphismes peuvent remplacer la notion de fibré principal. Dans ce cadre algébrique, les théories de jauge sont reformulées et généralisées, unifiant ainsi connexions ordinaires et champs de Higgs. Un modèle de "Maxwell non commutatif" est construit pour des fibrés non triviaux nécessitant le développement de la notion de structure Riemannienne. Les techniques de la géométrie non commutative utiles à l'étude des algèbres associatives sont présentées et une nouvelle méthode permettant d'obtenir le morphisme de Chern-Weil usuel est développée. Ensuite, les résultats d'une étude sur les connexions non commutatives généralisent ceux connus sur les fibrés symétriques; une extension de l'ansatz de Witten est énoncée. Enfin, une action est proposée pour généraliser le modèle de Born-Infeld à des connexions non commutatives. Les Lagrangiens obtenus sont non polynomiaux et on étudie l'existence de solutions de type solitonique sur quelques exemples explicites.

Les calculs de précision dans les théories de jauge jouent un rôle très important pour l’étude de la physique du Modèle Standard et au-delà dans les super-collisionneurs de particules comme le LHC, TeVatron et ILC. Par conséquent, il est extrêmement important de fournir des outils du calcul d’amplitudes à une boucle stables, rapides, efficaces et hautement automatisés. Cette thèse a pour but de développer la bibliothèque d’intégrales Golem95. Cette bibliothèque est un programme écrit en Fortran95, qui contient tous les ingrédients nécessaires pour calculer une intégrale scalaire ou tensorielle à une boucle avec jusqu’à six pattes externes. Golem95 utilise une méthode traditionnelle de réduction (réduction à la Golem) qui réduit les facteurs de forme en des intégrales de base redondantes qui peuvent être scalaires (sans paramètres de Feynman au numérateur) ou tensorielles (avec des paramètres de Feynman au numérateur); ce formalisme permet d’éviter les problèmes de l’instabilité numérique engendrés par des singularités factices dues à l’annulation des déterminants de Gram. En plus, cette bibliothèque peut être interfacée avec des programmes du calcul automatique basés sur les méthodes d’unitarité comme GoSam par exemple. Les versions antérieures de Golem95 ont été conçues pour le calcul des amplitudes sans masses internes. Le but de ce travail de thèse est de généraliser cette bibliothèque pour les configurations les plus générales (les masses complexes sont incluses), et de fournir un calcul numériquement stable dans les régions problématique en donnant une représentation intégrale unidimensionnelle stable pour chaque intégrale de base de Golem95. / Higher order corrections in gauge theories play a crucial role in studying physics within the standard model and beyond at TeV colliders, like LHC, TeVatron and ILC. Therefore, it is of extreme importance to provide tools for next-to-leading order amplitude computation which are fast, stable, efficient and highly automatized. This thesis aims at developing the library of integrals Golem95. This library is a program written in Fortran95, it contains all the necessary ingredients to calculate any one-loop scalar or tensorial integral with up to six external legs. Golem95 uses the traditional reduction method (Golem reduction) to reduce the form factors into redundant basic integrals, which can be scalar (without Feynman parameters in the numerator) or tensorial (with Feynman parameter in the numerator); this formalism allows us to avoid the problems of numerical instabilities generated by the spurious singularities induced by the vanishing of the Gram determinants. In addition, this library can be interfaced with automatic programs of NLO calculation based on the unitarity inspired reduction methods as GoSam for example. Earlierversions of Golem95 were designed for the calculation of amplitudes without internal masses. The purpose of this thesis is to extend this library for more general configurations (complex masses are supported); and to provide numerically stable calculation in the problematic regions (det(G) → 0), by providing a stable one-dimensional integral representation for each Golem95 basic integral.

Un ordinateur quantique (OQ), i.e. utilisant les ressources de la physique Q, superposition et intrication, pourrait fournir un gain exponentiel de temps de calcul. Une simulation utilisant ces ressources est appelée simulation Q (SQ). L’avantage des SQs sur les simulations classiques est bien établi au niveau théorique, i.e. software. Leur avantage pratique requiert un hardware Q. L’OQ, sous-entendu universel (cf. plus bas), n’a pas encore vu le jour, mais les efforts en ce sens sont croissants et variés. Aussi la SQ a-t-elle déjà été illustrée par de nombreuses expériences de principe, grâce à des calculateurs ou simulateurs Qs de taille réduite. Les marches Qs (MQs) sont des schémas de SQ particulièrement étudiés, étant des briques élémentaires pour concevoir n’importe quel algorithme Q, i.e. pour le calcul Q universel. La présente thèse est un pas de plus vers une simulation des théories Qs des champs basée sur les MQs à temps discret (MQTD). En effet, il est montré, dans certains cas, comment les MQTD peuvent simuler, au continu, l'action d'un champ de jauge Yang-Mills sur de la matière fermionique, et la rétroaction de cette-dernière sur la dynamique du champ de jauge. Les schémas proposés préservent l’invariance de jauge au niveau de la grille d’espace-temps, i.e. pas seulement au continu. Il est proposé (i) des équations de Maxwell sur grille, compatibles avec la conservation du courant sur la grille, et (ii) une courbure non-abélienne définie sur la grille. De plus, il est montré comment cette matière fermionique à base de MQTD peut être couplée à des champs gravitationnels relativistes du continu, i.e. des espaces-temps courbes, en dimension 1+2. / A quantum (Q) computer (QC), i.e. utilizing the resources of Q physics, superposition of states and entanglement, could fournish an exponential gain in computing time. A simulation using such resources is called a Q simulation (QS). The advantage of QSs over classical ones is well established at the theoretical, i.e. software level. Their practical benefit requires their implementation on a Q hardware. The QC, i.e. the universal one (see below), has not seen the light of day yet, but the efforts in this direction are both growing and diverse. Also, QS has already been illustrated by numerous experimental proofs of principle, thanks too small-size and specific-task Q computers or simulators. Q walks (QWs) are particularly-studied QS schemes, being elementary bricks to conceive any Q algorithm, i.e. to achieve so-called universal Q computation. The present thesis is a step more towards a simulation of Q field theories based on discrete-time QWs (DTQWs). Indeed, it is shown, in certain cases, how DTQWs can simulate, in the continuum, the action of Yang-Mills gauge fields on fermionic matter, and the retroaction of the latter on the gauge-field dynamics. The suggested schemes preserve gauge invariance on the spacetime lattice, i.e. not only in the continuum. In the (1+2)D Abelian case, consistent lattice equivalents to both Maxwell’s equations and the current conservation are suggested. In the (1+1)D non-Abelian case, a lattice version of the non-Abelian field strength is suggested. Moreover, it is shown how this fermionic matter based on DTQWs can be coupled to relativistic gravitational fields of the continuum, i.e. to curved spacetimes, in several spatial dimensions.

Les simulateurs quantiques, qui utilisent un système quantique contrôlable pour étudier le comportement et les propriétés d'un autre système quantique, moins accessible, sont une ressource prometteuse. Dans les dernières années, des progrès significatifs ont été faits dans de nombreux domaines expérimentaux et théoriques. Les marches quantiques à temps discret sont des systèmes simples et sophistiqués. En particulier, il a été montré qu'à la limite continue, ces marches peuvent simuler certaines théories de champs. Dans ce travail de thèse, lesdites marches sont utilisées pour explorer certains sujets d'intérêt physique, qui s'articulent autour de trois axes : (i) la connexion entre les propriétés géométriques de la marche et celles de divers champs de jauge ; (ii) la limite classique et la limite quasi-quantique, en relation surtout avec les théories de champs ; (iii) l'équilibration spontanée pour certains modèles non linéaires de marches quantiques. Chaque résultat est appuyé par une étude numérique et analytique. / Problems too demanding for classical computers can be approached promisingly with quantum simulators, which operate using one controllable quantum system in order to investigate the behavior and properties of a less accessible one. Over the past few years, significant progress has been made in a number of experimental and theoretical fields. Quantum Walks (QWs) are simple and sophisticated discrete space and time dynamical systems and it has been shown that in the continuous limit different emergent quantum fields can be simulated. In this thesis we will draw on QWs to further explore various areas of interest in Physics. More specifically our analysis will branch out into three main directions: (i) the connection between QWs and quantum field theory, with particular attention to bridging the quantum coin of QWs with the geometrical properties of gauge field theories; (ii) the study of QWs' classical limit and of the transient semi-classical dynamics, especially in relation with field theories; (iii) the spontaneous equilibration and thermalization in some nonlinear QWs-like models. Every step of this thesis will be validated by specific analytical results and numerical implementations.