This thesis consists in a self-contained study of gauge/gravity dualities in the line of the Klebanov-Witten model. Here we explore first the known Maldacena duality that relates N=4 SYM theory in four dimensions to type IIB supergravity on AdS_5×S^5 in reasonable detail, after some necessary preliminaries on supersymmetric gauge theories, where we display in detail the supersymmetry algebra and representations for N 1 supersymmetry. There we also construct the so-called superfields that will be helpful to write invariant lagrangians for gauge theoriesmreadily, and then useful to construct the gauge theory side of the Klebanov-Witten model. In the original AdS/CFT correspondence and its phenomenologically interesting extensions, Dp-branes as solutions of supergravity and nonperturbative objects in string theory where gauge theory lives are crucial. So, to preserve the self-contained nature of this work, we include a brief review of superstring theory addressed to understand the need to include this higher-dimensional objects by T-duality and, at low-energy limit of the string theory, as solutions of the Einstein equations. The first climax of this work occurs when we use all we learned to establish the Maldacena conjecture, N=4 SU(Nc) SYM theory we study in the supersymmetry chapter, living on the four-dimensional worldvolume of a stack of Nc D3-branes in a flat-space, corresponds exactly to type IIB supergravity on AdS_5×S^5 .In order to prove it, we match symmetries and operators with states in both sides. But actually this corresponds to the weak form of the correspondence, because it is not possible to handle neither string theory or gauge theory at strong coupling. The focus and main motive to have to learn the first hundred of pages here will be to extend the dual gauge theory we studied in AdS/CFT towards more realistic gauge theories as duals of some supergravity theory. The Klebanov-Witten model, consists in replacing the five-sphere in the gravity background of type IIB for a more interesting Einstein manifold X5 , a coset space called T^1,1 .The resulting dual gauge theory is expected to be less supersymmetric, and it is indeed N = 1 superconformal field theory with matter content in the bifundamental representation of the gauge group SU(N)×SU(N), and a quartic superpotential that exhibits SU(2)×SU(2)×U(1) global symmetry, which is precisely the symmetry of the coset space in the gravity side. This is not the end of the story, the Klebanov-Witten model extended the Maldacena correspondence and found as a dual gauge theory a less supersymmetric but still conformal theory. Breaking of the conformal theory, proposed by Klebanov, Nekrasov and Tseytlin, is achieved by introducing fractional M D3-branes in addition to the N regular D3-branes. The resulting theory is an SU(N+M)×SU(N) gauge theory with N = 1 supersymmetry, no longer conformal and then a little more interesting as a part of the crusade to find a QCD-like theory. This is still not the end, the last model suffers from a singularity in the deep IR, rendering the gravitational description invalid in that regime. It was conjectured that the strong dynamics of the gauge theory should somehow resolve this problem. Klebanov, again, and Strassler showed that this conjecture was correct, and argue that the RG flow is in fact an infinite series of Seiberg duality transformations- a cascade - in which the number of colors repeatedly drops from N NM , so the gaugegroup changes from SU(N+M)×SU(N) to SU(NM) ×SU(N). This process can be repeated until the IR limit where the gauge group simply becomes SU(M). So, at the end we get a N=1 SU(M) gauge theory, a QCD-like theory. We say that the standard model itself may lie at the base of a duality cascade. / Essa tese consiste num estudo autocontido das dualidades calibre/gravidade na linha do modelo do Klebanov-Witten. Aqui nos exploramos primeiro de um jeito razoavelmente detalhado,a conhecida dualidade do Maldacena que relaciona a teoria N=4 SYM em quatro dimensões com as supercordas tipo IIB no espaço AdS_5×S^5, depois de alguns preliminares necessários sobre teorias supersimétricas de calibre, onde nós mostramos em detalhe à algebra supersimétrica e as representações para N 1 supersimetria. Nós também construímos os conhecidos supercampos que são úteis para escrever lagrangianas invariantes para teorias de calibre facilmente, e então serão úteis para construir a teoría de calibre do modelo de Klebanov-Witten. Na correspondência AdS/CFT original e as suas extensões fenomenologicamente interessantes, as Dp-branas, como soluções de supergravidade e objetos não perturbativos na teoria de cordas onde as teorias de calibre moram, são essenciais. Assim ,a fim de preservar a natureza autocontida desse trabalho, nós incluímos uma breve revisão sobre teoria de supercordas dirigida a entender a necessidade de incluir esses objetos extra-dimensionais usando dualidade-T e, no limite de baixa-energia da teoria de cordas, como soluções das equações de Einstein. O primeiro clímax desse trabalho ocorre quando nós usamos tudo o que aprendemos para estabelecer a conjectura do Maldacena, a teoria de calibre N=4 SYM que nós estudamos no capítulo de supersimetria, morando no volume de mundo quadridimensional de uma pilha de Nc D3-branas (sim, o subscrito c significa cor!) em espaço plano, corresponde exatamente à teoria de supergravidade tipo IIB no espaço AdS_5×S^5 . A fim de testar ela, nós identificamos simetrias e operadores com estados em ambos lados da dualidade. Mas na verdade isto corresponde à forma fraca da correspondência, porque não é possível lidar nem com a teoria de cordas nem com a teoria de calibre no limite de acoplamento forte. O foco e motivo principal de porque nós temos que aprender as primeiras cem páginas aqui, será estender a teoria de calibre dual que estudamos em AdS/CFT, para teorias de calibre mais realisticas como duais de alguma teoria de supergravidade. O modelo do Klebanov-Witten, consiste em substituir a esfera de cinco dimensões no fundo de supergravidade da teoria de supercordas tipo IIB por um espaço que é mais interessante X5, um espaço coset chamado T^1,1. Nós esperamos que a teoria de calibre dual que resulta é menos supersimetrica, e na verdade é N =1 superconforme com um conteúdo de matéria na representação bifundamental do grupo de calibre SU(N)×SU(N), e um superpotencial quártico que tem simetria global SU(2)×SU(2)×U(1), que é precisamente a simetria do espaço coset no lado da gravidade. Mas isso não é tudo, o modelo do Klebanov-Witten estendeu a correspondência do Maldacena e encontrou como teoria dual uma teoria menos supersimetrica mas ainda conforme. A quebra da simetria conforme, proposta pelo Klebanov, Nekrasov e Tseytlin, é obtida introduzindo M D3-branas fracionais além das N D3-branas regulares. A teoria resultante é uma teoria de calibre SU(N+M)×SU(N) com N = 1 supersimetria, não mais conforme e então um pouco mais interessante como parte da nossa cruzada para encontrar uma teoria tipo-QCD. Isso ainda não é o final, o modelo anterior sofre de uma singularidade no IR profundo, tornando inválido a descrição gravitacional. Foi conjeturado então que a dinâmica do acoplamento forte na teoria de gauge deveria de algum jeito resolver esse problema. Klebanov, de novo, e Strassler mostraram que essa conjetura foi correta, e argumentaram que o fluxo do GR é de fato uma serie infinita de transformações de dualidade de Seiberg - uma cascata - onde o numero de cores cai repetidamente de NNM, e o grupo de calibre muda de SU(N+M)×SU(N) a SU(NM)×SU(N). O processo pode ser repetido até o limite IV onde o grupo de calibre simplesmente torna-se SU(M). Então, no final nós obtemos uma N = 1 teoria de calibre SU (M ), ou seja uma teoria tipo-QCD. Então, nós dissemos que o modelo padrão mesmo pode se situar na base da cascata de dualidade.

O objetivo desta dissertação é revisar os operadores laços de Wilson no contexto da correspondência AdS/CFT. Estes operadores, presentes em qualquer teoria de calibre, são importantes por nos fornecer um parâmetro de ordem para a transição de fase confinante/desconfinante. Além disso, eles são particularmente importantes no estudo da correspondência AdS/ CFT pois: i) Eles nos dão, em alguns casos, resultados exatos graças ao fato de poderem ser localizados em um modelo de matrizes, desta forma nos permitindo fazer testes altamente não triviais da correspondência; ii) Eles são os objetos da teoria de calibre que são duais as cordas propagando no interior do espaço, nos dando um rico dicionário entre quantidades no interior (AdS) e na borda do espaço (CFT). Depois de revisarmos os laços de Wilson em teorias de calibre e a correspondência Ads/CFT, introduziremos a definição dos laços de Wilson supersimétricos 1/2 BPS. Calcularemos eles para o caso de um acoplamento fraco e para qualquer outro valor da constante de acoplamento usando técnicas de modelos de matrizes. Finalmente, compararemos nossos resultados com computações de superfícies minimais no interior do espaço, encontrando uma concordância perfeita. / The aim of this thesis is to review Wilson loop operators in the contexto f the AdS/CFT correspondence. These operators, wich are present in any gauge theory, are important because they furnish an order parameter for confinement/deconfinement phase transitions. Besides this, they are particularly relevant in the study of the AdS/CFT correspondence because: i) they allow, in some cases, for exact results thanks to localization to matrix models and make it possible to perform highly non-trivial tests of the correspondence; ii) they are the gauge theory objects dual to strings propagating in the bulk of the space and give a rich dictionary between bulk (AdS) and boundary (CFT) quantities. After reviews of Wilson loops in gauge theories and of the Ads/CFT correspondence, we will introduce the definition of 1/2 BPS supersymmetric Wilson loops, we will compute them at weak coupling and then at any order in the coupling constant via matrix model techniques, and finally we will compare our results with minimal surface computations in the bulk, finding perfect agreement.

Elaboramos um estudo detalhado de alguns aspectos d(e uma versão d)a correspondência AdS/CFT, conjeturada por Maldacena e Witten, entre teorias quânticas de campo num fundo gravitacional dado por um espaço-tempo assintoticamente anti-de Sitter (AAdS), e teorias quânticas de campos conformalmente covariantes no infinito conforme (no sentido de Penrose) deste espaço-tempo, aspectos estes: (a) independentes d(o par d)e modelos específicos em Teoria Quântica de Campos, e (b) suscetíveis a uma reformulação em moldes matematicamente rigorosos. Adotamos como ponto de partida o teorema demonstrado por Rehren no contexto da Física Quântica Local (também conhecida como Teoria Quântica de Campos Algébrica) em espaços-tempos anti-de Sitter (AdS), denominado holografia algébrica ou dualidade de Rehren. O corpo do presente trabalho consiste em estender o resultado de Rehren para uma classe razoavelmente geral de espaços-tempos AAdS d-dimensionais (d>3), escrutinar como as propriedades desta extensão são enfraquecidas e/ou modificadas em relação ao espaço-tempo AdS, e como efeitos gravitacionais não-triviais se manifestam na teoria quântica no infinito conforme. Dentre os resultados obtidos, citamos: condições razoavelmente gerais sobre geodésicas nulas no interior (cuja plausibilidade justificamos por meio de resultados de rigidez geométrica) não só garantem que a nossa generalização é geometricamente consistente com causalidade, como também permite uma reconstrução ``holográfica\'\' da topologia do interior na ausência de horizontes e singularidades; a implementação das simetrias conformes na fronteira, que associamos explicitamente a uma família de isometrias assintóticas do interior construída de maneira intrínseca, ocorre num caráter puramente assintótico e é atingida dinamicamente por um processo de retorno ao equilíbrio, mediante condições de contorno adequadas no infinito; efeitos gravitacionais podem eventualmente causar obstruções à reconstrução da teoria quântica no interior, ou por torná-la trivial em regiões suficientemente pequenas ou devido à existência de múltiplos vácuos inequivalentes, que por sua vez levam à existência de excitações solitônicas localizadas ao redor de paredes de domínio no interior, similares a D-branas. As demonstrações fazem uso extensivo de geometria Lorentziana global. A linguagem empregada para as teorias quânticas relevantes para nossa generalização da dualidade de Rehren segue a formulação funtorial de Brunetti, Fredenhagen e Verch para a Física Quântica Local, estendida posteriormente por Sommer para incorporar condições de contorno. / We elaborate a detailed study of certain aspects of (a version of) the AdS/CFT correspondence, conjectured by Maldacena and Witten, between quantum field theories in a gravitational background given by an asymptotically anti-de Sitter (AAdS) spacetime, and conformally covariant quantum field theories in the latter\'s conformal infinity (in the sense of Penrose), aspects such that: (a) are independent from (the pair of) specific models in Quantum Field Theory, and (b) susceptible to a recast in a mathematically rigorous mould. We adopt as a starting point the theorem demonstrated by Rehren in the context of Local Quantum Physics (also known as Algebraic Quantum Field Theory) in anti-de Sitter (AdS) spacetimes, called algebraic holography or Rehren duality. The main body of the present work consists in extending Rehren\'s result to a reasonably general class of d-dimensional AAdS spacetimes (d>3), scrutinizing how the properties of such an extension are weakened and/or modified as compared to AdS spacetime, and probing how non-trivial gravitational effects manifest themselves in the conformal infinity\'s quantum theory. Among the obtained results, we quote: not only does the imposition of reasonably general conditions on bulk null geodesics (whose plausibility we justify through geometrical rigidity techniques) guarantee that our generalization is geometrically consistent with causality, but it also allows a ``holographic\'\' reconstruction of the bulk topology in the absence of horizons and singularities; the implementation of conformal symmetries in the boundary, which we explicitly associate to an intrinsically constructed family of bulk asymptotic isometries, have a purely asymptotic character and is dynamically attained through a process of return to equilibrium, given suitable boundary conditions at infinity; gravitational effects may cause obstructions to the reconstruction of the bulk quantum theory, either by making the latter trivial in sufficiently small regions or due to the existence of multiple inequivalent vacua, which on their turn lead to the existence of solitonic excitations localized around domain walls, similar to D-branes. The proofs make extensive use of global Lorentzian geometry. The language employed for the quantum theories relevant for our generalization of Rehren duality follows the functorial formulation of Local Quantum Physics due to Brunetti, Fredenhagen and Verch, extended afterwards by Sommer in order to incorporate boundary conditions. (An English translation of the full text can be found at arXiv:0712.0401)

Elaboramos um estudo detalhado de alguns aspectos d(e uma versão d)a correspondência AdS/CFT, conjeturada por Maldacena e Witten, entre teorias quânticas de campo num fundo gravitacional dado por um espaço-tempo assintoticamente anti-de Sitter (AAdS), e teorias quânticas de campos conformalmente covariantes no infinito conforme (no sentido de Penrose) deste espaço-tempo, aspectos estes: (a) independentes d(o par d)e modelos específicos em Teoria Quântica de Campos, e (b) suscetíveis a uma reformulação em moldes matematicamente rigorosos. Adotamos como ponto de partida o teorema demonstrado por Rehren no contexto da Física Quântica Local (também conhecida como Teoria Quântica de Campos Algébrica) em espaços-tempos anti-de Sitter (AdS), denominado holografia algébrica ou dualidade de Rehren. O corpo do presente trabalho consiste em estender o resultado de Rehren para uma classe razoavelmente geral de espaços-tempos AAdS d-dimensionais (d>3), escrutinar como as propriedades desta extensão são enfraquecidas e/ou modificadas em relação ao espaço-tempo AdS, e como efeitos gravitacionais não-triviais se manifestam na teoria quântica no infinito conforme. Dentre os resultados obtidos, citamos: condições razoavelmente gerais sobre geodésicas nulas no interior (cuja plausibilidade justificamos por meio de resultados de rigidez geométrica) não só garantem que a nossa generalização é geometricamente consistente com causalidade, como também permite uma reconstrução ``holográfica\'\' da topologia do interior na ausência de horizontes e singularidades; a implementação das simetrias conformes na fronteira, que associamos explicitamente a uma família de isometrias assintóticas do interior construída de maneira intrínseca, ocorre num caráter puramente assintótico e é atingida dinamicamente por um processo de retorno ao equilíbrio, mediante condições de contorno adequadas no infinito; efeitos gravitacionais podem eventualmente causar obstruções à reconstrução da teoria quântica no interior, ou por torná-la trivial em regiões suficientemente pequenas ou devido à existência de múltiplos vácuos inequivalentes, que por sua vez levam à existência de excitações solitônicas localizadas ao redor de paredes de domínio no interior, similares a D-branas. As demonstrações fazem uso extensivo de geometria Lorentziana global. A linguagem empregada para as teorias quânticas relevantes para nossa generalização da dualidade de Rehren segue a formulação funtorial de Brunetti, Fredenhagen e Verch para a Física Quântica Local, estendida posteriormente por Sommer para incorporar condições de contorno. / We elaborate a detailed study of certain aspects of (a version of) the AdS/CFT correspondence, conjectured by Maldacena and Witten, between quantum field theories in a gravitational background given by an asymptotically anti-de Sitter (AAdS) spacetime, and conformally covariant quantum field theories in the latter\'s conformal infinity (in the sense of Penrose), aspects such that: (a) are independent from (the pair of) specific models in Quantum Field Theory, and (b) susceptible to a recast in a mathematically rigorous mould. We adopt as a starting point the theorem demonstrated by Rehren in the context of Local Quantum Physics (also known as Algebraic Quantum Field Theory) in anti-de Sitter (AdS) spacetimes, called algebraic holography or Rehren duality. The main body of the present work consists in extending Rehren\'s result to a reasonably general class of d-dimensional AAdS spacetimes (d>3), scrutinizing how the properties of such an extension are weakened and/or modified as compared to AdS spacetime, and probing how non-trivial gravitational effects manifest themselves in the conformal infinity\'s quantum theory. Among the obtained results, we quote: not only does the imposition of reasonably general conditions on bulk null geodesics (whose plausibility we justify through geometrical rigidity techniques) guarantee that our generalization is geometrically consistent with causality, but it also allows a ``holographic\'\' reconstruction of the bulk topology in the absence of horizons and singularities; the implementation of conformal symmetries in the boundary, which we explicitly associate to an intrinsically constructed family of bulk asymptotic isometries, have a purely asymptotic character and is dynamically attained through a process of return to equilibrium, given suitable boundary conditions at infinity; gravitational effects may cause obstructions to the reconstruction of the bulk quantum theory, either by making the latter trivial in sufficiently small regions or due to the existence of multiple inequivalent vacua, which on their turn lead to the existence of solitonic excitations localized around domain walls, similar to D-branes. The proofs make extensive use of global Lorentzian geometry. The language employed for the quantum theories relevant for our generalization of Rehren duality follows the functorial formulation of Local Quantum Physics due to Brunetti, Fredenhagen and Verch, extended afterwards by Sommer in order to incorporate boundary conditions. (An English translation of the full text can be found at arXiv:0712.0401)

O objetivo desta dissertação é revisar os operadores laços de Wilson no contexto da correspondência AdS/CFT. Estes operadores, presentes em qualquer teoria de calibre, são importantes por nos fornecer um parâmetro de ordem para a transição de fase confinante/desconfinante. Além disso, eles são particularmente importantes no estudo da correspondência AdS/ CFT pois: i) Eles nos dão, em alguns casos, resultados exatos graças ao fato de poderem ser localizados em um modelo de matrizes, desta forma nos permitindo fazer testes altamente não triviais da correspondência; ii) Eles são os objetos da teoria de calibre que são duais as cordas propagando no interior do espaço, nos dando um rico dicionário entre quantidades no interior (AdS) e na borda do espaço (CFT). Depois de revisarmos os laços de Wilson em teorias de calibre e a correspondência Ads/CFT, introduziremos a definição dos laços de Wilson supersimétricos 1/2 BPS. Calcularemos eles para o caso de um acoplamento fraco e para qualquer outro valor da constante de acoplamento usando técnicas de modelos de matrizes. Finalmente, compararemos nossos resultados com computações de superfícies minimais no interior do espaço, encontrando uma concordância perfeita. / The aim of this thesis is to review Wilson loop operators in the contexto f the AdS/CFT correspondence. These operators, wich are present in any gauge theory, are important because they furnish an order parameter for confinement/deconfinement phase transitions. Besides this, they are particularly relevant in the study of the AdS/CFT correspondence because: i) they allow, in some cases, for exact results thanks to localization to matrix models and make it possible to perform highly non-trivial tests of the correspondence; ii) they are the gauge theory objects dual to strings propagating in the bulk of the space and give a rich dictionary between bulk (AdS) and boundary (CFT) quantities. After reviews of Wilson loops in gauge theories and of the Ads/CFT correspondence, we will introduce the definition of 1/2 BPS supersymmetric Wilson loops, we will compute them at weak coupling and then at any order in the coupling constant via matrix model techniques, and finally we will compare our results with minimal surface computations in the bulk, finding perfect agreement.