Ten-dimensional superstring theory (or the conjectured nonperturbative Mtheory in eleven dimensions) is the most promising candidate for a consistent quantum theory of gravity capable of unifying all known forces of nature. An important question concerning these fundamental theories is how they compactify to lower dimensions and how to obtain a real four dimensional world? In this dissertation we present new avenues for M/string theory to reduce to lower dimensions as well as to four dimensions. For example, we show that by performing a generalized Kaluza-Klein IR reduction on the low-energy field theory of the heterotic string, the resulting lower dimensional theory compactifies spontaneously on S3 to give rise to (Minkowski)6 spacetime. Furthermore, a generalized reduction of M-theory on K3 × IR compacti- fies spontaneously on S2 to give rise to a (Minkowski)4 spacetime. The generalized Kaluza-Klein reduction gauges the Cremmer-Julia type global symmetry and the homogeneous rescaling symmetry of the supergravity equations of motion by giving the higher dimensional fields an additional dependence on the circle coordinate. We apply the generalized reduction scheme to half-maximal supergravities which are obtained from the heterotic string (or the NS-NS sector of the type-II string) compactified on a (10 − D)-dimensional torus truncated to the pure supergravity multiplet. This gives rise to new gauged supergravities in diverse dimensions with supersymmetric Minkowski × sphere vacua.Since two large extra dimensions have received much attention recently, we make a detailed study of the gauged D = 6, N = (1, 1) supergravity. In particular, we show that this theory allows for a consistent sphere reduction on S2 to give rise to D = 4, N = 2 supergravity coupled to a vector multiplet which can further be truncated to N = 1 supergravity with a chiral multiplet. We also investigate pp-waves in AdS backgrounds, i.e. pp-waves as solutions of gauged supergravities with AdS vacua. These solutions generically preserve 1 4 of the supersymmetry. We demonstrate supernumerary supersymmetries for both purely gravitational pp-waves and pp-waves supported by fields strengths. These new backgrounds provide interesting novel features of the supersymmetry enhancement for the dual conformal field theory in the infinite-momentum frame.

Upon dimensional reduction, certain supergravity theories exhibit symmetries otherwise undetected, called hidden symmetries. Not only do these symmetries teach us about the structure of the corresponding theories but moreover they provide methods to construct black hole solutions. In this thesis, we study the hidden symmetries of supergravity theories of particular interest and how these help constructing black hole solutions in dimensions D>4. We focus on three representative cases that are the symmetries appearing upon dimensional reduction to three, two and one dimensions. They are respectively described by finite, affine and hyperbolic algebras. In the first two cases, we develop and apply solution generating techniques. The first part of this thesis introduces the background concepts. We start with an introduction to black holes and other black objects in dimensions D>4. We present their subtleties, the known solutions and the conjectured ones. We insist on stationary axisymmetric solutions of vacuum and to the corresponding solution generating technique. The next chapter gives an introduction to Kac-Moody algebras. These indeed play a central role in this thesis as the symmetries appearing in three, two and one dimensions are described by three types of Kac-Moody algebras called respectively finite, affine and hyperbolic. In the second part, we first review the notion of dimensional reductions and how the hidden symmetries can be uncovered. The rest of the thesis contains three applications of these hidden symmetries. The first two concern five-dimensional minimal supergravity. Upon dimensional reduction to three dimensions, this theory exhibits a symmetry under the exceptional finite Kac-Moody algebra g2. This 14-dimensional algebra is the smallest exceptional finite Kac-Moody algebra. We use this duality to generate solutions while focussing mainly on black strings. After reduction to two dimensions, the symmetry becomes infinite-dimensional and is described by the affine extension of g2. Moreover, the two-dimensional theory is integrable, which allows us to develop another type of solution generating technique, hitherto applied only to vacuum gravity. In this work we generalize it to a case with matter fields. Finally, the notion of dimensional reduction to one dimension provides the necessary intuition for the conjecture of an algebraic formulation of M-theory, candidate to the unification of all interactions, based on the hyperbolic Kac-Moody algebra e10. In the last chapter of this thesis, we study an aspect of this correspondence, namely the e10 symmetry of massive type IIA supergravity in ten dimensions. / On sait depuis longtemps que par un processus appelé réduction dimensionnelle, on peut faire apparaître dans certaines théories de gravitation des symétries autrement indétectées. On les appelle des symétries cachées. La mise en évidence de ces symétries non seulement nous informe sur la structure de ces théories, mais de plus elle permet d'élaborer des méthodes de construction de solutions de trous noirs. Dans cette thèse, nous étudions les symétries cachées de certaines théories de supergravité en dimensions supérieures à quatre. Nous nous concentrons sur trois cas représentatifs que sont les symétries apparaissant après réduction à trois, deux et une dimensions. Dans les cas des symétries apparaissant à trois et à deux dimensions nous développons et appliquons des méthodes de construction de solutions. La première partie introduit les concepts préliminaires. Nous commençons par une introduction aux trous noirs et autres objets noirs en dimensions supérieures à quatre. Nous en présentons les subtilités, les solutions connues à ce jour et celles qui ne sont encore que conjecturées. Nous insistons particulièrement sur les solutions stationnaires à symétrie axiale dans le vide et à la méthode de construction de solutions correspondante. Le chapitre suivant présente une introduction aux algèbres de Kac-Moody. Celles-ci jouent en effet un rôle central dans cette thèse puisque les symétries apparaissant à trois, deux et une dimensions sont décrites par trois types d'algèbres de Kac-Moody appelées respectivement finies, affines et hyperboliques. Dans la deuxième partie, nous rentrons dans le vif du sujet, en commençant par rappeler le principe des réductions dimensionnelles et la mise en évidence des différents types de symétries cachées. Les trois derniers chapitres contiennent ensuite trois applications de ces symétries cachées. Dans deux d'entre eux, nous nous concentrons sur la théorie de supergravité minimale à cinq dimensions. Après réduction à trois dimensions, cette théorie présente un symétrie cachée sous le groupe G2 qui, avec quatorze dimensions, est le plus petit des groupes de Lie exceptionnels. Nous utilisons cette dualité pour engendrer des solutions, en nous focalisant essentiellement sur les solutions de cordes noires. A deux dimensions, la symétrie est décrite par l'extension affine de G2. De plus, la théorie est alors complètement intégrable. Cela conduit à un autre type de méthode de construction de solutions, jusqu'alors uniquement appliquée à des théories dans le vide. Dans ce travail, nous la généralisons donc à un cas avec champs de matière. Enfin, la notion de réduction à une dimension fournit l'intuition d'une conjecture selon laquelle la théorie M, candidate à l'unification de toutes les interactions, pourrait être reformulée en une théorie basée sur l'algèbre de Kac-Moody hyperbolique e10. Dans le dernier chapitre de cette thèse, nous étudions un aspect de cette correspondance, à savoir, la symétrie sous e10 de la supergravité massive de type IIA à dix dimensions.

Upon dimensional reduction, certain supergravity theories exhibit symmetries otherwise undetected, called hidden symmetries. Not only do these symmetries teach us about the structure of the corresponding theories but moreover they provide methods to construct black hole solutions. <p><p>In this thesis, we study the hidden symmetries of supergravity theories of particular interest and how these help constructing black hole solutions in dimensions D>4. We focus on three representative cases that are the symmetries appearing upon dimensional reduction to three, two and one dimensions. They are respectively described by finite, affine and hyperbolic algebras. In the first two cases, we develop and apply solution generating techniques.<p><p>The first part of this thesis introduces the background concepts. We start with an introduction to black holes and other black objects in dimensions D>4. We present their subtleties, the known solutions and the conjectured ones. We insist on stationary axisymmetric solutions of vacuum and to the corresponding solution generating technique.<p><p>The next chapter gives an introduction to Kac-Moody algebras. These indeed play a central role in this thesis as the symmetries appearing in three, two and one dimensions are described by three types of Kac-Moody algebras called respectively finite, affine and hyperbolic.<p><p>In the second part, we first review the notion of dimensional reductions and how the hidden symmetries can be uncovered. The rest of the thesis contains three applications of these hidden symmetries.<p><p>The first two concern five-dimensional minimal supergravity. Upon dimensional reduction to three dimensions, this theory exhibits a symmetry under the exceptional finite Kac-Moody algebra g2. This 14-dimensional algebra is the smallest exceptional finite Kac-Moody algebra. We use this duality to generate solutions while focussing mainly on black strings. <p><p>After reduction to two dimensions, the symmetry becomes infinite-dimensional and is described by the affine extension of g2. Moreover, the two-dimensional theory is integrable, which allows us to develop another type of solution generating technique, hitherto applied only to vacuum gravity. In this work we generalize it to a case with matter fields.<p><p>Finally, the notion of dimensional reduction to one dimension provides the necessary intuition for the conjecture of an algebraic formulation of M-theory, candidate to the unification of all interactions, based on the hyperbolic Kac-Moody algebra e10. In the last chapter of this thesis, we study an aspect of this correspondence, namely the e10 symmetry of massive type IIA supergravity in ten dimensions.<p><p>/<p><p>On sait depuis longtemps que par un processus appelé réduction dimensionnelle, on peut faire apparaître dans certaines théories de gravitation des symétries autrement indétectées. On les appelle des symétries cachées. La mise en évidence de ces symétries non seulement nous informe sur la structure de ces théories, mais de plus elle permet d'élaborer des méthodes de construction de solutions de trous noirs. <p><p>Dans cette thèse, nous étudions les symétries cachées de certaines théories de supergravité en dimensions supérieures à quatre. Nous nous concentrons sur trois cas représentatifs que sont les symétries apparaissant après réduction à trois, deux et une dimensions. Dans les cas des symétries apparaissant à trois et à deux dimensions nous développons et appliquons des méthodes de construction de solutions. <p><p>La première partie introduit les concepts préliminaires. Nous commençons par une introduction aux trous noirs et autres objets noirs en dimensions supérieures à quatre. Nous en présentons les subtilités, les solutions connues à ce jour et celles qui ne sont encore que conjecturées. Nous insistons particulièrement sur les solutions stationnaires à symétrie axiale dans le vide et à la méthode de construction de solutions correspondante.<p><p>Le chapitre suivant présente une introduction aux algèbres de Kac-Moody. Celles-ci jouent en effet un rôle central dans cette thèse puisque les symétries apparaissant à trois, deux et une dimensions sont décrites par trois types d'algèbres de Kac-Moody appelées respectivement finies, affines et hyperboliques. <p><p>Dans la deuxième partie, nous rentrons dans le vif du sujet, en commençant par rappeler le principe des réductions dimensionnelles et la mise en évidence des différents types de symétries cachées. Les trois derniers chapitres contiennent ensuite trois applications de ces symétries cachées. <p><p>Dans deux d'entre eux, nous nous concentrons sur la théorie de supergravité minimale à cinq dimensions. Après réduction à trois dimensions, cette théorie présente un symétrie cachée sous le groupe G2 qui, avec quatorze dimensions, est le plus petit des groupes de Lie exceptionnels. Nous utilisons cette dualité pour engendrer des solutions, en nous focalisant essentiellement sur les solutions de cordes noires. <p><p>A deux dimensions, la symétrie est décrite par l'extension affine de G2. De plus, la théorie est alors complètement intégrable. Cela conduit à un autre type de méthode de construction de solutions, jusqu'alors uniquement appliquée à des théories dans le vide. Dans ce travail, nous la généralisons donc à un cas avec champs de matière. <p><p>Enfin, la notion de réduction à une dimension fournit l'intuition d'une conjecture selon laquelle la théorie M, candidate à l'unification de toutes les interactions, pourrait être reformulée en une théorie basée sur l'algèbre de Kac-Moody hyperbolique e10. Dans le dernier chapitre de cette thèse, nous étudions un aspect de cette correspondance, à savoir, la symétrie sous e10 de la supergravité massive de type IIA à dix dimensions. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished