In the following, we build on previous work done on higher derivative gravity, in particular Lovelock gravity. The latter is a family of theories in higher space-time dimensions in which interactions involving higher powers of curvature are introduced, but the equations of motion remain second order in derivatives. We develop a new theory involving cubic terms in the curvature. We then show that the equations of motion for graviton fluctuations remain second order. The curvature cubed term is shown not to be a topological object, contrary to the belief that dimensionally extended Euler densities provided the only stable dimensionally continued theories of gravity (Lovelock gravity). Black hole solutions are studied in this new gravitational framework.

In the following, we build on previous work done on higher derivative gravity, in particular Lovelock gravity. The latter is a family of theories in higher space-time dimensions in which interactions involving higher powers of curvature are introduced, but the equations of motion remain second order in derivatives. We develop a new theory involving cubic terms in the curvature. We then show that the equations of motion for graviton fluctuations remain second order. The curvature cubed term is shown not to be a topological object, contrary to the belief that dimensionally extended Euler densities provided the only stable dimensionally continued theories of gravity (Lovelock gravity). Black hole solutions are studied in this new gravitational framework.

abstract: This thesis explores the different aspects of higher curvature gravity. The "membrane paradigm" of black holes in Einstein gravity is extended to black holes in f(R) gravity and it is shown that the higher curvature effects of f(R) gravity causes the membrane fluid to become non-Newtonian. Next a modification of the null energy condition in gravity is provided. The purpose of the null energy condition is to filter out ill-behaved theories containing ghosts. Conformal transformations, which are simple redefinitions of the spacetime, introduces serious violations of the null energy condition. This violation is shown to be spurious and a prescription for obtaining a modified null energy condition, based on the universality of the second law of thermodynamics, is provided. The thermodynamic properties of the black holes are further explored using merger of extremal black holes whose horizon entropy has topological contributions coming from the higher curvature Gauss-Bonnet term. The analysis refutes the prevalent belief in the literature that the second law of black hole thermodynamics is violated in the presence of the Gauss-Bonnet term in four dimensions. Subsequently a specific class of higher derivative scalar field theories called the galileons are obtained from a Kaluza-Klein reduction of Gauss-Bonnet gravity. Galileons are null energy condition violating theories which lead to violations of the second law of thermodynamics of black holes. These higher derivative scalar field theories which are non-minimally coupled to gravity required the development of a generalized method for obtaining the equations of motion. Utilizing this generalized method, it is shown that the inclusion of the Gauss-Bonnet term made the theory of gravity to become higher derivative, which makes it difficult to make any statements about the connection between the violation of the second law of thermodynamics and the galileon fields. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Physics 2014

O objetivo desse trabalho é estudar aplicações da correspondência AdS/CFT na descrição de plasmas fortemente acoplados similares ao plasma de quarks e glúons (PQG) produzido em colisões de íons pesados no RHIC e no LHC. O projeto está articulado em duas partes. Inicialmente estudamos como alguns observáveis, como a taxa de produção de fótons e diléptons, são afetados por anisotropias espaciais presentes no plasma. Isso é importante porque o PQG produzido em experimentos do mundo real tipicamente começa em configurações de alta anisotropia, que depois evoluem para configurações isotrópicas. Para modelar a anisotropia a acoplamento forte fizemos uso de uma solução de buraco negro de supergravidade do tipo IIB encontrada recentemente em arXiv:1105.3472/hep-th. Como segunda direção de pesquisa e novamente focando em aplicações da correspondência AdS/CFT na descrição do PQG, investigamos teorias de gravidade de Lovelock, que são generalizações naturais da teoria de relatividade geral de Einstein. Essas teorias contém termos com derivadas de ordem superior ao mesmo tempo que mantém equações do movimento de segunda ordem, e por isso constituem uma arena ideal para começar a entender como termos de derivada de ordem superior afetam vários observáveis físicos do plasma. / The aim of this work is to study applications of the AdS/CFT correspondence to strongly coupled plasmas similar to the quark-gluon plasma (QGP) produced in heavy ion collisions at RHIC and LHC. The project is articulated in two parts. Initially, we will study how some observables, such as photon and dilepton production rates, are affected by spatial anisotropies present in the plasma. This is important, since the QGP produced in real world experiments generically starts in highly anisotropic configurations, which later evolve towards isotropy. To model anisotropy at strong coupling we will make use of an anisotropic black hole solution of type IIB supergravity which has been recently obtained in arXiv:1105.3472/ hep-th. As a second direction of research and again focusing on applications of the AdS/CFT correspondence to the QGP, we will investigate Lovelock theories of gravity, which are natural generalizations of Einsteins general relativity. These theories contain higher derivative terms, while maintaining the equations of motion of second order, and constitute an ideal arena where to start understanding how higher derivative corrections affect various physical observables of the plasma.

A correspondência AdS/CFT é uma notável ferramenta no estudo de teorias de gauge fortemente acopladas que podem ser mapeadas em uma descrição gravitacional dual fracamente acoplada. A correspondência é melhor entendida no limite em que ambos $N$ e $\\lambda$, o rank do grupo de gauge e o acoplamento de \'t Hooft da teoria de gauge, respectivamente, são infinitos. Levar em consideração interações com termos de curvatura de ordem superior nos permite considerar correções de $\\lambda$ finito. Por exemplo, a primeira correção de acoplamento finito para supergravidade tipo IIB surge como um termo de curvatura com forma esquemática $\\alpha\'^3 R^4$. Neste trabalho investigamos correções de curvatura no contexto da gravidade de Lovelock, que é um cenário simples para investigar tais correções pois as suas equações de movimento ainda são de segunda ordem em derivadas. Esse cenário também é particularmente interessante do ponto de vista da correspondência AdS/CFT devido a sua grande classe de soluções de buracos negros assintoticamente AdS. Consideramos um sistema de gravidade AdS-axion-dilaton em cinco dimensões com um termo de Gauss-Bonnet e encontramos uma solução das equações de movimento, o que corresponde a uma black brane exibindo uma anisotropia espacial, onde a fonte da anisotropia é um campo escalar linear em uma das coordenadas espaciais. Estudamos suas propriedades termodinâmicas e realizamos a renormalização holográfica usando o método de Hamilton-Jacobi. Finalmente, usamos a solução obtida como dual gravitacional de um plasma anisotrópico fortemente acoplado com duas cargas centrais independentes, $a eq c$. Calculamos vários observáveis relevantes para o estudo do plasma, a saber, a viscosidade de cisalhamento sobre densidade de entropia, a força de arrasto, o parâmetro de jet quenching, o potencial entre um par quark-antiquark e a taxa de produção de fótons. / The AdS/CFT correspondence is a remarkable tool in the study of strongly coupled gauge theories which can be mapped to a dual, weakly coupled gravitational description. The correspondence is best understood in the limit in which both $N$ and $\\lambda$, the rank of the gauge group and the \'t Hooft coupling of the gauge theory, respectively, are infinite. Accounting for higher curvature interactions allows one to begin to consider finite $\\lambda$. For example, the leading finite coupling corrections to type IIB supergravity arise as stringy corrections with schematic form $\\alpha\'^3 R^4$. In this work we investigate higher curvature corrections in a simpler scenario, the Lovelock gravity. Lovelock gravity is a nice framework to investigate such corrections since its equations of motion are still second order in derivatives and is particularly interesting from the point of view of the AdS/CFT correspondence because a large class of asymptotically AdS black holes solutions are known. We consider five-dimensional AdS-axion-dilaton gravity with a Gauss-Bonnet term and find a solution of the equations of motion which corresponds to a black brane exhibiting a spatial anisotropy, with the source of the anisotropy being an axion field linear in one of the spatial coordinates. We study its thermodynamics and we carry out the holographic renormalization using the Hamilton-Jacobi approach. Finally, we use the solution as a gravity dual to a strongly coupled anisotropic plasma with two independent central charges, $a eq c$. We compute several observables relevant to the study of the plasma, namely, the shear viscosity over entropy density ratio, the drag force, the jet quenching parameter, the quarkonium potential and the thermal photon production.

A correspondência AdS/CFT é uma notável ferramenta no estudo de teorias de gauge fortemente acopladas que podem ser mapeadas em uma descrição gravitacional dual fracamente acoplada. A correspondência é melhor entendida no limite em que ambos $N$ e $\\lambda$, o rank do grupo de gauge e o acoplamento de \'t Hooft da teoria de gauge, respectivamente, são infinitos. Levar em consideração interações com termos de curvatura de ordem superior nos permite considerar correções de $\\lambda$ finito. Por exemplo, a primeira correção de acoplamento finito para supergravidade tipo IIB surge como um termo de curvatura com forma esquemática $\\alpha\'^3 R^4$. Neste trabalho investigamos correções de curvatura no contexto da gravidade de Lovelock, que é um cenário simples para investigar tais correções pois as suas equações de movimento ainda são de segunda ordem em derivadas. Esse cenário também é particularmente interessante do ponto de vista da correspondência AdS/CFT devido a sua grande classe de soluções de buracos negros assintoticamente AdS. Consideramos um sistema de gravidade AdS-axion-dilaton em cinco dimensões com um termo de Gauss-Bonnet e encontramos uma solução das equações de movimento, o que corresponde a uma black brane exibindo uma anisotropia espacial, onde a fonte da anisotropia é um campo escalar linear em uma das coordenadas espaciais. Estudamos suas propriedades termodinâmicas e realizamos a renormalização holográfica usando o método de Hamilton-Jacobi. Finalmente, usamos a solução obtida como dual gravitacional de um plasma anisotrópico fortemente acoplado com duas cargas centrais independentes, $a eq c$. Calculamos vários observáveis relevantes para o estudo do plasma, a saber, a viscosidade de cisalhamento sobre densidade de entropia, a força de arrasto, o parâmetro de jet quenching, o potencial entre um par quark-antiquark e a taxa de produção de fótons. / The AdS/CFT correspondence is a remarkable tool in the study of strongly coupled gauge theories which can be mapped to a dual, weakly coupled gravitational description. The correspondence is best understood in the limit in which both $N$ and $\\lambda$, the rank of the gauge group and the \'t Hooft coupling of the gauge theory, respectively, are infinite. Accounting for higher curvature interactions allows one to begin to consider finite $\\lambda$. For example, the leading finite coupling corrections to type IIB supergravity arise as stringy corrections with schematic form $\\alpha\'^3 R^4$. In this work we investigate higher curvature corrections in a simpler scenario, the Lovelock gravity. Lovelock gravity is a nice framework to investigate such corrections since its equations of motion are still second order in derivatives and is particularly interesting from the point of view of the AdS/CFT correspondence because a large class of asymptotically AdS black holes solutions are known. We consider five-dimensional AdS-axion-dilaton gravity with a Gauss-Bonnet term and find a solution of the equations of motion which corresponds to a black brane exhibiting a spatial anisotropy, with the source of the anisotropy being an axion field linear in one of the spatial coordinates. We study its thermodynamics and we carry out the holographic renormalization using the Hamilton-Jacobi approach. Finally, we use the solution as a gravity dual to a strongly coupled anisotropic plasma with two independent central charges, $a eq c$. We compute several observables relevant to the study of the plasma, namely, the shear viscosity over entropy density ratio, the drag force, the jet quenching parameter, the quarkonium potential and the thermal photon production.

O objetivo desse trabalho é estudar aplicações da correspondência AdS/CFT na descrição de plasmas fortemente acoplados similares ao plasma de quarks e glúons (PQG) produzido em colisões de íons pesados no RHIC e no LHC. O projeto está articulado em duas partes. Inicialmente estudamos como alguns observáveis, como a taxa de produção de fótons e diléptons, são afetados por anisotropias espaciais presentes no plasma. Isso é importante porque o PQG produzido em experimentos do mundo real tipicamente começa em configurações de alta anisotropia, que depois evoluem para configurações isotrópicas. Para modelar a anisotropia a acoplamento forte fizemos uso de uma solução de buraco negro de supergravidade do tipo IIB encontrada recentemente em arXiv:1105.3472/hep-th. Como segunda direção de pesquisa e novamente focando em aplicações da correspondência AdS/CFT na descrição do PQG, investigamos teorias de gravidade de Lovelock, que são generalizações naturais da teoria de relatividade geral de Einstein. Essas teorias contém termos com derivadas de ordem superior ao mesmo tempo que mantém equações do movimento de segunda ordem, e por isso constituem uma arena ideal para começar a entender como termos de derivada de ordem superior afetam vários observáveis físicos do plasma. / The aim of this work is to study applications of the AdS/CFT correspondence to strongly coupled plasmas similar to the quark-gluon plasma (QGP) produced in heavy ion collisions at RHIC and LHC. The project is articulated in two parts. Initially, we will study how some observables, such as photon and dilepton production rates, are affected by spatial anisotropies present in the plasma. This is important, since the QGP produced in real world experiments generically starts in highly anisotropic configurations, which later evolve towards isotropy. To model anisotropy at strong coupling we will make use of an anisotropic black hole solution of type IIB supergravity which has been recently obtained in arXiv:1105.3472/ hep-th. As a second direction of research and again focusing on applications of the AdS/CFT correspondence to the QGP, we will investigate Lovelock theories of gravity, which are natural generalizations of Einsteins general relativity. These theories contain higher derivative terms, while maintaining the equations of motion of second order, and constitute an ideal arena where to start understanding how higher derivative corrections affect various physical observables of the plasma.