The standard Kaluza-Klein theory is reviewed and its basic equations are rewritten in an anholonomic basis. A five dimensional Yang-Mills type quadratic and cubic curvature gravity model is introduced. By employing the Palatini variational principle, the field equations and the stress-energy tensors of these models are presented. Unification of gravity with electromagnetism is achieved through the Kaluza-Klein reduction mechanism. Reduced curvature invariants,field equations and stress-energy tensors in four dimensional space-time are obtained. The structure of interactions among the gravitational, electromagnetic and massless scalar fields are demonstrated in detail. It is shown that in addition to a set of generalized Maxwell and Yang-Mills type gravity equations the Lorentz force also emerges from this theory. Solutions of the standard Kaluza-Klein theory are explicitly demonstrated to be intrinsically contained in the quadratic model.

We give a general introduction to particle physics, and in particular to particlephysics in extra dimensions. Furthermore, we introduce the concept of dark matter(DM) and discuss some suggestions for what it originates from. Next, we calculatethe cross-section for DM annihilation in the framework of non-minimal universalextra dimensions. This process gives mono-energetic gamma-ray lines with energyclose to the DM particle mass. The calculations are performed for two different DMcandidates, U(1)Y-gaugebosonen B1 och den laddningsneutrala SU(2)L-gaugebosonen Z1. MM-kandidaten är alltid den lättaste partikeln inom den betraktade teorin. Störst  tvärsnitt får man när Z1 tas som den lättaste partikeln, och alltså som MM-kandidat, trots att den är tyngre än vad B1 är när den är tagen som teorins lättaste partikel. Anledningen till att tvärsnittet blir större för Z1 är att den har icke fösumbara självväxelverkningarr, vilket gör att många fler Feynmandiagram bidrar.

Nous avons réalisé une déformation non-triviale et complète de la théorie de supergravité maximale en dimension deux. Il s'agit de la supergravité maximale avec groupe de jauge SO(9). Cette théorie décrit de manière effective la supergravité de type IIA sur un espace-temps produit AdS_2 x S^8. Elle joue ainsi un rôle important dans la correspondance Gravité / Théorie de Jauge appliquée au cas de la D0-brane. Afin de préparer la construction de la supergravité maximale jaugée SO(9), nous nous intéressons aux supergravités maximales en dimension onze et trois, puisqu'elles donnent lieu à différentes formulations non équivalentes de la théorie bidimensionnelle non jaugée. Le formalisme d' « Embedding tensor » est ensuite présenté. Il permet de déterminer l'ensemble des groupes de jauges compatibles avec la supersymétrie maximale. La supergravité SO(9) est dès lors explicitement construite et ouvre la voie à deux applications importantes. P our commencer, nous avons réalisé l'inclusion d'un sous-secteur bosonique de la théorie SO(9), la troncature de Cartan, dans la supergravité de type IIA à dix dimensions d'espace-temps. Il s'agit d'une inclusion cohérente. Cela a motivé la deuxième application, de nature holographique. Ainsi, à partir du sous-secteur de Cartan de la supergravité SO(9), et en particulier de la découverte d'états fondamentaux de type « half-BPS », nous avons calculé un ensemble de fonctions de corrélation à un et deux points associées à des opérateurs de modèles de matrice duaux. Nous avons conclu en un résumé de nos travaux et en la présentation d'intéressantes perspectives. / A complete non trivial supersymmetric deformation of the maximal supergravity in two dimensions is achieved by the gauging of a SO(9) group. The resulting theory describes the reduction of type IIA supergravity on an AdS_2 x S^8 background and is of first importance in the Domain-Wall / Quantum Field theory correspondence for the D0-brane case. To prepare the construction of the SO(9) gauged maximal supergravity, we focus on the eleven dimensional supergravity and the maximal supergravity in three dimensions since they give rise to important off-shell inequivalent formulations of the ungauged theory in two dimensions. The embedding tensor formalism is presented, allowing for a general desciption of the gaugings consistent with supersymmetry. The SO(9) supergravity is explicitly constructed and applications are considered. In particular, an embedding of the bosonic sector of the two-dimensional theory into type IIA supergravity is obtained. Hence, the Cartan truncation of the SO(9) supergravity is proved to be consistent. This motivated holographic applications. Therefore, correlation functions for operators in dual Matrix models are derived from the study of gravity side excitations around half BPS backgrounds. These results are fully discussed and outlooks are presented.

La recherche de la production de gluons lourds gKK, de type Kaluza-Klein dans la théorie avec dimensions supplémentaires, qui se désintègre en une paire de SM quark top (t¯t), ou en un VLQ top et un SM quark top (tT ), est présentée dans cette thèse. Cette recherche est basée sur les collisions de proton proton à 8 TeV, enregistrées durant l’année 2012 par le détecteur ATLAS au LHC, au CERN. La luminosité, correspondante à ces énergies de collisions, a été de 20.3 fb^−1. Dans le cas de gKK -> tT , trois types d’analyses ont été effectuées de façon indépendante: VLQ top (T) se désintégrant en un boson W et un quark b (T -> W b), avec un large rapport de branchement, VLQ top se désintégrant en un boson de Higgs composite et un SM quark top (T -> H t), avec un large rapport de branchement, et VLQ top se désintégrant en un boson Z et un SM quark top (T -> Z t). Dans chaque cas, les données, issues des collisions, sont étudiées dans des états finaux avec un lepton et des jets. Ces états sont caractérisés par un electron ou un muon isolé ayant une impulsion transverse large, une énergie transverse manquante et jets. Les spectres de la masse invariante de t¯t et de t¯t+jets, sont ensuite examinés, afin de vérifier un éventuel excès (ou un déficit) inconsistant avec les prédictions du Modèle Standard. Aucune évidence de résonance de paire de quarks top a été observée, et une limite d’échelle de confiance de 95% a été déterminée pour des résonances lourdes prévues par les modèles benchmark. D’une part, une résonance correspondant à un gluon de type Kaluza–Klein (de largeur de 15.3%) prévu par le modèle Randall–Sundrum, qui se désintègre avec un taux d’embranchement de 100% en une paire de SM quarks top a été exclue avec 95% de degré de confiance, jusque pour les masses inférieures à 2.0 TeV. D’autre part, les excitations de gluon de type Kaluza–Klein, dans le modèle composite avec des paramètres de benchmark pour des angles de mélange et une largeur de 10%, de masse 1.0 TeV, qui se désintègrent en un SM quark top, et, un VLQ top de masse 0.6 TeV pour tous les embranchements propres à VLQ top, ont été exclues avec 95% de degré de confiance. Finalement, les excitations de gluon de type Kaluza–Klein, de largeur de 10%, ayant une masse de 2.0 TeV, qui se désintègrent en un SM quark top et un VLQ top de masse 1.4 TeV, avec des scenarios qui respectent BR (T -> Wb) < 0.80, ont été exclues avec 95% de degré de confiance. Les échantillons utilisés lors de cette analyse ont été validés par la collaboration ATLAS, cependant les résultats montrés dans cette thèse n’ont pas été vérifiés par la collaboration ATLAS en vue d’une publication. / A search for production of the lightest Kaluza-Klein excitation of gluon (gKK), in theories with a warped extra dimension, that decays into Standard Model (SM) top quark pairs (t¯t) or into one vector-like top quark (VLQ top) in association with a SM top quark (Tt) is presented in this thesis. The search is based on proton proton collisions at 8 TeV recorded in 2012 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider and corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb^−1. For the analysis of gKK -> tT , we performed targeting three cases: VLQ top (T) with significant branching ratio to a W boson and a b-quark (T -> W b), VLQ top with significant branching ratio to a composite Higgs boson and a standard model top quark (T -> H t) and VLQ top with significant branching ratio to a Z boson and a standard model top quark (T -> Z t). Data are analyzed in the lepton-plus-jets final state, characterized by an isolated electron or muon with high transverse momentum, large missing transverse momentum and multiple jets. The invariant mass spectrum of t¯t and t¯t + jets is examined for local excesses or deficits that are inconsistent with the Standard Model predictions. No evidence for a top quark pairs resonance is found, and 95% confidence-level limits on the production rate are determined for massive states in benchmark models. On the one hand, a Kaluza–Klein excitation of the gluon of width 15.3% with a branching ratio of 100% into a SM top quark pairs in a Randall–Sundrum model, is excluded for masses below 2.0 TeV. On the other hand, in a composite model where the heavy gluon decays to tT , using benchmark parameters for mixing angles, a 1.0 TeV Kaluza–Klein excitation of the gluon of width 10% that decay to one SM and a 0.6 TeV VLQ top, considering any VLQ top branching ratio scenario, is excluded at 95% Confidence Level (CL). Finally, a 2.0 TeV Kaluza–Klein excitation of the gluon, of width 10%, that decays into one SM in association with a 1.4 TeV VLQ top, with any scenario with BR (T -> Wb) < 0.80, is excluded at 95% CL. The samples used in these analyses were validated by ATLAS collaboration, however the results shown in this thesis were not reviewed by the ATLAS collaboration for publication.

In this thesis, we study various aspects of physics in higher-dimensional manifolds involving a single extra dimension. After giving some historical perspective on the motivation for studying higher-dimensional theories of physics, we describe classical tests for a non-compact extra dimension utilizing test particles and pointlike gyroscopes. We then turn our attention to the problem of embedding any given <i>n</i>-dimensional spacetime within an (<i>n</i>+1)-dimensional manifold, paying special attention to how any structure from the extra dimension modifies the standard <i>n</i>-dimensional Einstein equations. Using results derived from this investigation and the formalism derived for test particles and gyroscopes, we systematically introduce three specific higher-dimensional models and classify their properties; including the Space-Time-Matter and two types of braneworld models. The remainder of the thesis concentrates on specific higher-dimensional cosmological models drawn from the above mentioned scenarios; including an analysis of the embedding of Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker submanifolds in 5-dimensional Minkowski and topological Schwarzschild spaces, and an investigation of the dynamics of a <i>d</i>-brane that takes the form of a thin shell encircling a (<i>d</i>+2)-dimensional topological black hole in anti-deSitter space. The latter is derived from a finite-dimensional action principle, which allows us to consider the canonical quantization of the model and the solutions of the resulting Wheeler-DeWitt equation.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-04-29T16:18:05Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_SolitonsLatentesCordas.pdf: 472398 bytes, checksum: 8c4b56ce0727a674ba202e7a46a8fb4c (MD5) / Approved for entry into archive by Albirene Aires (albireneufpa@gmail.com) on 2014-06-16T17:14:40Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_SolitonsLatentesCordas.pdf: 472398 bytes, checksum: 8c4b56ce0727a674ba202e7a46a8fb4c (MD5) / Made available in DSpace on 2014-06-16T17:14:40Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_SolitonsLatentesCordas.pdf: 472398 bytes, checksum: 8c4b56ce0727a674ba202e7a46a8fb4c (MD5) Previous issue date: 2012 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho investigamos soluções solitônicas em modelos de Kaluza-Klein com um número arbitrário de espaços internos toroidais, que descrevem o campo gravitacional de um objeto massivo compacto. Cada toro di-dimensional possui um fator de escala independente Ci, i = 1, ..., N, que é caracterizado pelo parâmetro ᵞi. Destacamos a solução fisicamente interessante correspondente à massa puntual. Para a solução geral obtemos equações de estado nos espaços externo e interno. Estas equações demonstram que a massa pontual solitônica possui equações de estado tipo poeira em todos os espaços. Obtemos também os parâmetros pósnewtonianos que nos possibilitam encontrar as fórmulas da precessão do periélio, do desvio da luz e do atraso no tempo de ecos de radar. Além disso, os experimentos gravitacionais levam a uma forte limitação nos parâmetros do modelo: T = ƩNi=1 diYi = −(2, 1±2, 3)×10−5. A solução para massa pontual com Y1 = . . . = YN = (1+ƩNi=1 di)−1 contradiz esta restrição. A imposição T = 0 satisfaz essa limitação experimental e define uma nova classe de soluções que são indistinguíveis para a relatividade geral. Chamamos estas soluções de sólitons latentes. Cordas negras e membranas negras com Yi = 0 pertencem a esta classe. Além disso, a condição de estabilidade dos espaços internos destaca cordas/membranas negras de sólitons latentes, conduzindo exclusivamente para as equações de estado de corda/membrana negra pi = −ε/2, i = 1, . . . ,N, nos espaços internos e ao número de dimensões externas d0 = 3. As investigações do fluido perfeito multidimensional estático e esfericamente simétrico com equação de estado tipo poeira no espaço externo confirmam os resultados acima. / In Kaluza-Klein models with an arbitrary number of toroidal internal spaces, we investigate soliton solutions which describe the gravitational field of a massive compact object. Each di-dimensional torus has its own scale factor Ci, i = 1, ..., N, which is characterized by a parameter Yi. We single out the physically interesting solution corresponding to a pointlike mass. For the general solution we obtain equations of state in the external and internal spaces. These equations demonstrate that the point-like mass soliton has dust-like equations of state in all spaces. We also obtain the parameterized post-Newtonian parameters, which give the possibility to obtain the formulas for perihelion shift, deflection of light and time delay of radar echoes. Additionally, the gravitational experiments lead to a strong restriction on the parameters of the model: T = ƩNi=1 diYi = −(2, 1±2, 3)×10−5. The point-like mass solution with Y1 = . . . = YN = (1+ƩNi=1 di)−1 contradicts this restriction. The condition T = 0 satisfies the experimental limitation and defines a new class of solutions which are indistinguishable from general relativity. We call such solutions latent solitons. Black strings and black branes with Yi = 0 belong to this class. Moreover, the condition of stability of the internal spaces singles out black strings/branes from the latent solitons and leads uniquely to the black string/brane equations of state pi = −ε/2, i = 1, . . . ,N, in the internal spaces and to the number of the external dimensions d0 = 3. The investigation of multidimensional static spherically symmetric perfect fluid with dust-like equation of state in the external space confirms the above results.

Les extensions du Modèle Standard (MS) des particules sont maintenant dans une époque de développement très actif. Les motivations de l'introduction des dimensions supplémentaires sont basées d'une part sur la théorie des cordes qui nécessitent l'existence de nouvelles dimensions pour être cohérent. D'un autre côté ces théories peuvent potentiellement expliquer le problème de hiérarchie, le nombre de générations de fermions ou la stabilité du proton. La caractéristique commune de ces modèles est qu'ils fournissent une nouvelle particule neutre interagissant faiblement - un candidat idéal de la matière noire. Sa stabilité est préservée par la parité KK qui interdit les désintégrations du LKP en particules du MS. La géométrie de l'espace sous-jacent détermine le spectre de particules du modèle donc la masse et le spin du candidat DM, qui à leur tour jouent un rôle clé dans les études phénoménologiques. Nous présentons un modèle à deux dimensions supplémentaires universelles compactifiées sur le plan projectif réel. Cette géométrie particulière permet la définition des fermions chiraux et la stabilité de la matière noire neutre candidat dérive naturellement des propriétés intrinsèques de l'espace sans ajouter de nouvelles symétries ad hoc. Nous présentons le spectre de deux premiers niveaux KK à une boucle. Le spectre au sein de chaque niveau KK est fortement dégénéré ce qui fournie des signatures très intéressantes du modèle. Nous étudions la phénoménologie de la matière noire dans notre modèle pour limiter l'espace des paramètres en comparant nos résultats avec les données de WMAP et les expériences de détection directe. En utilisant les bornes obtenues, nous nous concentrons sur la phénoménologie LHC de notre modèle.

In this thesis, we study various aspects of physics in higher-dimensional manifolds involving a single extra dimension. After giving some historical perspective on the motivation for studying higher-dimensional theories of physics, we describe classical tests for a non-compact extra dimension utilizing test particles and pointlike gyroscopes. We then turn our attention to the problem of embedding any given <i>n</i>-dimensional spacetime within an (<i>n</i>+1)-dimensional manifold, paying special attention to how any structure from the extra dimension modifies the standard <i>n</i>-dimensional Einstein equations. Using results derived from this investigation and the formalism derived for test particles and gyroscopes, we systematically introduce three specific higher-dimensional models and classify their properties; including the Space-Time-Matter and two types of braneworld models. The remainder of the thesis concentrates on specific higher-dimensional cosmological models drawn from the above mentioned scenarios; including an analysis of the embedding of Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker submanifolds in 5-dimensional Minkowski and topological Schwarzschild spaces, and an investigation of the dynamics of a <i>d</i>-brane that takes the form of a thin shell encircling a (<i>d</i>+2)-dimensional topological black hole in anti-deSitter space. The latter is derived from a finite-dimensional action principle, which allows us to consider the canonical quantization of the model and the solutions of the resulting Wheeler-DeWitt equation.

Cette thèse s'articule autour de la compréhension du mécanisme de brisure spontanée de symétrie électrofaible dans l'expérience ATLAS au LHC, à travers deux thématiques complémentaires : la recherche du boson de Higgs dans le canal H->gamma gamma et une recherche de dimensions supplémentaires dans le secteur des gluons. Par ailleurs, les tests de l'électronique du calorimètre électromagnétique ont permis de valider la conception des cartes contrôleur et maître SPAC, dont la responsabilité était liée au LPNHE.<br /><br />Pour la recherche du Higgs dans le canal H->gamma gamma, l'utilisation de données de simulation complète du détecteur a permis de calculer de façon précise la résolution en masse du système diphotons. Concernant le bruit de fond de jets, une étude a été faite avec des variables discriminantes afin d'obtenir, pour une efficacité de 80 % d'identification des photons, un pouvoir de réjection des jets de l'ordre de 7000. Grâce aux progrès théoriques récents, le signal et le bruit de fond ont pu être étudiés à un ordre supérieur du développement perturbatif, ce qui augmente les sections efficaces. Le potentiel de découverte profite de cette augmentation des sections efficaces et augmente de 50 % par rapport à la même analyse faite au niveau fondamental (LO). Enfin, une nouvelle analyse utilisant une méthode de maximum de vraisemblance permet d'améliorer de l'ordre de 40 % le potentiel de découverte par rapport à notre propre analyse classique. Finalement, le boson de Higgs peut maintenant être découvert dans ce canal pour une luminosité intégrée de 10 fb^(-1) pour un Higgs à 120 GeV/c^2<br /><br />Par ailleurs, le problème de naturalité de la masse du Higgs peut être résolu par l'introduction de dimensions supplémentaires dans lesquelles les gluons peuvent se propager. Nous avons montré qu'il était possible de découvrir l'existence de dimensions supplémentaires jusqu'à une échelle de compactification de 15 TeV.

In Part I we are dealing with effective description of Yang-Mills theories based on gauge-invarint variables. For pure Yang-Mills we study the spin-charge separation varibles. The dynamics in these variables resembles the Skyrme-Faddeev model. Thus the spin-charge separation is an important intermediate step between the fundamental Yang-Mills theory and the low-energy effective models, used to model the low-energy dynamics of gluons. Similar methods may be useful for describing the Electroweak sector of the Standard Model in terms of gauge-invariant field variables called supercurrents. We study the geometric structure of spin-charge separation in 4D Euclidean space (paper III) and elaborate onconnection with gravity toy model. Such reinterpretation gives a way to see how effective flat background metric is created in toy gravity model by studying the appearance of dimension-2 condensate in the Yang-Mills (paper IV). For Electroweak theory we derive the effective gauge-invariant Lagrangian by doing the Kaluza-Klein reduction of higher-dimensional gravity with 3-brane, thus making explicit the geometric interpretation for gauge-invariant supercurrents. The analogy is then made more precise in the framework of exact supergravity solutions. Thus, we interpret the Higgs effect as spontaneous breaking of Kaluza-Klein gauge symmetry and this leads to interpretation of Higgs field as a dilaton (papers I and II). In Part II of the thesis we study rather simple field theories, called “geometric” or “instantonic”. Their defining property is exact localization on finite-dimensional spaces – the moduli spaces of instantons. These theories allow to account exactly for non-linearity of space of fields, in this respect they go beyond the standard Gaussian perturbation theory. In paper V we show how to construct a geometric theory of chiral boson by embedding it into the geometric field theory. In Paper VI we elaborate on the simplest geometric field theory – the supersymmetric Quantum Mechanics and construct new non-perturbative topological observables that have a transparent meaning both in geometric and in the Hamiltonian formalisms. In Paper VII we are motivated by making perturbations away from the simple instantonic limit. For that we need to carefully define the observables that are quadratic in momenta and develop the way to compute them in geometric framework. These correspond geometrically to bivector fields (or, in general, the polyvector fields). We investigate the local limit of polyvector fields and compare the geometric calculation with free-field approach.