Dans cette thèse de doctorat, nous étudions les processus de violation de la saveur des leptons chargés dans le cadre de la théorie des champs effective, dans laquelle les effets de nouvelle physique peuvent être paramétrés par des opérateurs invariants de jauge et de dimension plus élevées, construits avec les champs du modèle standard. La découverte de l'oscillation des neutrinos est une preuve claire que la violation de la saveur leptonique peut se produire et que les neutrinos ont une masse. Dans le modèle standard avec des neutrinos massifs, les processus de violation de la saveur des leptons chargés sont fortement supprimés, et la découverte de tels processus serait un signal clair de physique au-delà du modèle standard. Après une introduction générale sur le modèle standard de la physique des particules et au-delà, ce manuscrit contient deux chapitres d’introduction. Le premier chapitre présente le contexte théorique et expérimental pour les recherches de processus de violation de la saveur des leptons chargés, et leur potentiel pour contraindre les modèles de nouvelle physique. Nous faisons une revue de nombreux processus et des expériences actuelles, puis nous discutons des perspectives pour les expériences à venir. Le deuxième chapitre décrit le formalisme de l'approche de la théorie des champs effective. Nous discutons des principes de la renormalisation et du calcul des boucles avec la régularisation dimensionnelle. Nous discutons également des équations du groupe de renormalisation qui décrivent l’évolution et le mélange des coefficients avec l'échelle d'énergie. Enfin, nous abordons deux approches différentes dans la théorie des champs effective. Après avoir introduit le contexte expérimental et le formalisme de la théorie des champs effective, nous étudions la conversion d’un muon en électron dans les noyaux dans une approche top-down, et la violation de la saveur des leptons chargés dans les désintégrations à deux et trois corps de mésons pseudo-scalaires dans une approche bottom-up. Nous listons d'abord les opérateurs et les coefficients associés qui contribuent aux processus. Dans notre travail, nous nous concentrerons principalement sur les opérateurs de dimension six. Nous calculons les rapports de branchement pour chaque processus en fonction des coefficients des opérateurs à l 'échelle expérimentale et utilisons les bornes expérimentales pour contraindre les coefficients. Nous utilisons également les équations du groupe de renormalisation pour calculer l’évolution et le mélange des coefficients avec l'échelle d'énergie dans les approches top-down et bottom-up. Les résultats présentés dans cette thèse sont basés sur deux publications [1, 2] / In this doctoral thesis, we investigate charged lepton flavour violating processes in effective field theory, in which possible new physics effects can be parametrized by higher dimensional gauge invariant operators built from Standard Model fields. The discovery of neutrino oscillations is a clear evidence that lepton flavour violation can occur and that neutrinos are massive. In the Standard Model extended with massive neutrinos, charged lepton flavour violating processes are strongly suppressed, and the discovery of such processes would be a clear signal of physics beyond the Standard Model. After a general introduction on the Standard Model of particle physics and beyond, this manuscript contains two introductory chapters. The first one introduce the theoretical and experimental context for the searches of charged lepton flavour violating processes, and their huge potential to constrain new physics model. We make a review of many processes and the current experiments, then we discuss the prospects for the upcoming experiments. The second chapter describe the formalism of the effective field theory approach. We discuss the principles of renormalization and loop integrals calculations with dimensional regularization. We also discuss the renormalization group equations that describe the running and the mixing of the coefficients with the energy scale. Finally, we discuss two different approaches in effective field theories. After introducing the experimental context and the effective field theory formalism, we study the μ → e conversion on nuclei in a top-down approach and charged lepton flavour violating two and three body decays of pseudoscalar mesons in a bottom-up approach. We first list all the operators and their associated coefficients that contribute to the processes. In our work, we mostly focus on dimension six operators. We compute the branching ratios for each processes as a function of the operator coefficients at the experimental scale, and use the experimental upper limit to constrain the coefficients. We also use the renormalization group equations to compute the running and the mixing of the coefficients with energy scale in both top-down and bottom-up approaches. The results discussed in this thesis are based on two publications [1, 2]

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse concerne deux sujets différents: une étude d'une classe de modèles matriciels qui sont pertinents pour l'holographie, et le calcul d'observables dans une théorie superconforme N = 2 grâce à la technique de la localisation supersymétrique. Le premier sujet traite de modèles matriciels avec symétrie U(N)xO(D) qui ont été introduits récemment. Dans ces modèles, appelés modèles de matrices-vecteurs, il a été montré qu'il est possible de définir une limite de grand D qui conduit à un développement en diagrammes planaires resommable. De plus, ils contiennent des champs et des symétries inspirés de la théorie des cordes et il a été montré qu'un de ces modèles présente les mêmes propriétés physiques que le modèle SYK, dont la connexion avec l'holographie est bien connue. Dans cettethèse, l'étude de ces modèles matriciels est étendue en considérant plusieurs généralisations de la littérature existante. L'étude de modèles avec des termes d'interaction multi-traces et avec une symétrie réduite, et le calcul des observables multi-traces, sont considerés. De plus, plusieurs problèmes concernant la construction de modèles sont pris en considération. Enfin, une analyse approfondie des modèles de matrices-vecteurs fermioniques avec des termes d'interaction quartique est effectuée. Dans le cadre de la localisation supersymétrique, la seconde partie de la thèse se concentre sur le calcul des observables dans la QCD superconforme N = 2 (SCQCD) en 4 dimensions avec symétrie de jauge SU(N). Pour commencer, les résultats connus concernant le calcul de corrélateurs d'opérateurs chiraux et les valeurs moyennes de boucles de Wilson circulaires en utilisant la technique de la localisation supersymétrique sont présentés. La contribution originale de cette partie concerne le calcul de corrélateurs entre opérateurs chiraux et boucles de Wilson circulaires. Le calcul est organisé comme suit: d'abord, les observables sont calculées à travers le modèle matriciel résultant de la procédure de localisation. Ensuite, les résultats du modèle matriciel sont testés par rapport au calcul utilisant la théorie quntique des champs perturbative. Ce calcul esteffectué en prenant la différence entre l'observable calculée dans N = 2 SCQCD et la même observable calculée dans N = 4 super Yang-Mills. Ceci réduit considérablement le nombre de diagrammes de Feynman qui contribuent au corrélateur, ce qui permet d'effectuer des contrôles perturbatifs jusqu'à deux boucles. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse, nous étudions la structure asymptotique de la gravité à trois dimensions d’espace-temps avec et sans constante cosmologique.La première partie de la thèse présente en détails les propriétés fondamentales de la gravité à trois dimensions pour des espaces à constante cosmologique négative, ou espaces de types Anti-de Sitter (AdS). Nous introduisons le formalisme de Chern-Simons pour la gravité en utilisant la formulation dite du premier ordre pour cette dernière. Nous présentons également les conditions aux bords dites de Brown-Henneaux et le calcul associé de l’algèbre des charges de surface. Enfin, nous décrivons les étapes de la réduction du modèle de Chern-Simons à un modèle de Wess-Zumino-Witten puis à celui d’une théorie de Liouville. La relevance de cette théorie dans le calcul microscopique de l’entropie d’un trou noir à trois dimensions est également discutée.La seconde partie de la thèse contient les contributions originales. Tout d’abord, nous étendons l’analyse de la dynamique asymptotique de la supergravité à trois dimensions au cas d’une constante cosmologique nulle. Nous montrons que l’algèbre des charges de surface associée est une extension supersymétrique de l’algèbre BMS, et construisons la théorie bidimensionnelle située au bord de l’espace-temps qui possède cette symétrie. Le second résultat est l’obtention d’une symétrie de dimension infinie au voisinage de l’horizon d’événements d’un trou noir tridimensionnel non extrême. Troisièmement, nous discutions le cas d’une constante cosmologique positive et montrons l’existence d’une théorie de Liouville euclidienne duale à la gravité d’Einstein avec des conditions aux bords de Dirichlet dans le patch statique. Enfin, nous explorons un autre cadre dans lequel des symétries de dimension infinie apparaissent pour des espaces temps qui non sont pas du type Anti-de Sitter. Nous considérons pour cela des déformations de ces derniers, connus sous le nom d’espaces-temps Warped Anti-de Sitter. Nous montrons que ces déformations admettent une algèbre de surface donnée par une somme semi-direct entre une algèbre de Virasoro et une algèbre affine de Kac-Moody, avec extensions centrales non nulles. Nous montrons que les configurations du trou noir hôte des espaces-temps Warped s’organisent en termes de deux algèbres de Virasoro. Nous identifions les générateurs associés qui décrivent les représentations de la théorie duale et, en appliquant une formule de Cardy, nous prouvons qu’un calcul microscopique reproduit correctement l’entropie de ces trous noirs. Nous étendons ce résultat à des conditions aux bords plus générales qui incluent de nouvelles solutions associés à des degrés de liberté locaux, des gravitons massifs contenus dans le volume d’espace-temps. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse se concentre sur des aspects de dualités holographiques reliant une théorie gravitationnelle en trois dimensions à une théorie des champs sur le bord de cette espace, c'est-à-dire en dimensions deux. Dans le premier chapitre, nous passons en revue diverses méthodes, utilisées tout au long de la thèse, pour calculer des quantités conservées en théorie de jauge et plus particulièrement en gravitation. Ensuite, dans le deuxième chapitre, nous rappelons le cas d'école des espaces-temps localement anti-de Sitter (AdS) à trois dimensions et de leur théorie duale, les théories des champs conformes en deux dimensions. Les chapitres trois et quatre sont dédiés à la présentation d'espaces-temps non-AdS considérés dans cette thèse et de la dualité dans laquelle ils sont impliqués. Le premier s'intéresse aux espace-temps warped AdS, qui peuvent être vus comme une déformation d'AdS. Leur théorie des champs duale serait une théorie des champs conforme warped. Le second se concentre sur des solutions cosmologiques, localement plates, qui seraient duales à des théories des champs invariantes sous le groupe BMS$_3$ (groupe de symétrie des espaces asymptotiquement plats). Dans le chapitre cinq, nous révisons des notions de thermodynamique que nous utiliserons pour discuter des transitions de phase entre deux géométries appartenant au même espace des phases. Par exemple, entre l'espaces-temps AdS thermique et le trou noir localement AdS. La partie originale de la thèse traite d'abord des solutions maximalement symétriques dans n'importe quelle théorie invariante sous difféomorphisme. Nous prouvons que le calcul d'entropie gravitationnel est reproduit par le comptage asymptotique d'états dans la théorie duale. Ce travail est étendu au cas des espaces-temps warped. Nous montrons également que leur entropie du bulk et du bord sont en correspondance et ce pour toutes théories de gravitation. Ceci constitue une vérification non triviale des correspondances holographiques. Nous étudions aussi leurs transitions de phase. Finalement, nous posons les premières pierres d'une nouvelle correspondance holographique, impliquant une corde noire, en trouvant un ensemble de conditions au bord cohérent. Nous discutons également la thermodynamique des cordes noires. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This thesis is devoted to various questions connected with duality. It is composed of two parts.The first part discusses some aspects of timelike T-duality. We explore the possibility of compactification of supergravity theories with various signatures(low energy limit of M-theories which are dual under timelike T-dualities) on parallelizable internal seven dimensional (pseudo-)spheres. We show that, beside the standard theory, only one of the dual theories known as M'-theory can admit such a solution. The effective four dimensional theory is non-supersymmetric and due to the presence of torsion the symmetry of seven dimensional (pseudo-)sphere breaks down to Spin(3, 4). In the second part, in an attempt to have a systematic discussion of gaugings in supergravity, we show the isomorphism between the space of local deformations of the appropriate zero coupling limit of the embedding tensor Lagrangian and that of the second-order scalar-vector Lagrangian, describing the bosonic sector of supergravity ignoring gravity, in a chosen duality frame determined by embedding tensors. We analyze the BV-BRST deformation of a class of scalar-vector coupled Lagrangians, which contains supergravity Lagrangians as examples, and find a set of constraints that guarantee the consistency of the deformations of the Lagrangians. We show in principle that for a large class of theories considered in this thesis, the only deformations are those of the Yang-Mills type associated with a subgroup of the rigid symmetries. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This thesis deals with two classes of space-time symmetries: emergent symmetries in the near-horizon region of rapidly rotating Kerr black holes and residual gauge symmetries. The main aim of the thesis is to investigate consequences and effects of these symmetries on black holes and gravitational radiation. The first class of symmetries is exploited to address questions of astrophysical relevance for force-free magnetospheres, thin accretion discs, and strong magnetic fields around Kerr black holes. We investigate how the dynamics of electromagnetic and matter fields is constrained by global conformal symmetries of the near-horizon geometry. In the context of force-free electrodynamics, we find exact solutions and classify them according to the highest weight representation of the isometry group. We introduce novel criteria to distinguish physical solutions and deduce bounds on conformal weights of electromagnetic fields. For thin accretion discs, within the Novikov-Thorne model, new properties arise in the high spin regime of the Kerr black hole. We find a novel self-similar solution and we explain the critical behaviour of the observables by symmetry arguments. Afterwards, we study an exact analytic solution to the Einstein-Maxwell theory. It describes a black hole immersed in a strong magnetic field and it shares the same near-horizon geometry of extreme Kerr black holes. We compute its total conserved mass by means of the covariant phase space formalism and study its thermodynamics. The second class of symmetries is considered in order to provide a new definition of gravitational multipole moments by means of Noether charges and by adopting the covariant phase space formalism. We show that such a definition in terms of Noether charges reproduces multipole moments in General Relativity. We propose to apply it to an arbitrary generally covariant metric theory of gravity. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse présente quelques applications des théories alternatives de la gravitation relativiste. Nous étudions en particulier le mouvement à deux corps dans une théorie purement scalaire de la gravitation et la production d'ondes gravitationnelles par les systèmes binaires. Nous obtenons nombre de résultats analytiques et numériques relatifs à ce problème. Nous étudions également en détail la théorie MOND (pour \textit{Modified Newtonian Dynamics}) qui cherche à expliquer, en particulier, les courbes de rotation des galaxies en terme d'une modification des lois de la gravitation, et non à l'aide d'un surplus de matière inconnue et invisible, la matière noire. Cela nécessite de recourir à une théorie qui diffère de la relativité générale au moins dans le régime non-relativiste et des champs faibles, ie. qui ne se réduise pas à la théorie de Newton dans cette limite. La construction d'une telle théorie est l'objet d'une partie de cette thèse. Nous présentons quelques modèles alternatifs à la relativité générale susceptibles de rendre compte de la phénoménologie souhaitée, en proposons de nouveaux, et les analysons en détail à la lumière des contraintes les plus importantes que doit satisfaire toute théorie raisonnable : accord avec l'expérience, stabilité, causalité, localité, en plus d'être naturelle. Nous montrons que des problèmes théoriques imposent de modifier significativement la phénoménologie usuelle de MOND, au moins dans les cadres formels les plus usités. Nous proposons également un modèle de l'anomalie Pioneer, et montrons enfin comment expliquer la vitesse d'échappement à la galaxie sans recours à un quelconque halo de matière noire.

Les preuves d'une composante de matière invisible dans l'Univers sont présents à de nombreuses échelles. Cette composante, appelée matière noire (MN), à interaction faible, stable sur des temps cosmologiques, non-relativiste et non-baryonique représente environ 28% du budget d' énergie de l'Univers. L' une des principales stratégies pour identifier la MN est la détection indirecte des produits de son annihilation.Les rayons gamma sont très prometteurs. Le télescope spatiale Fermi-LAT (FL) a mesuré un flux diffus isotrope de gamma, nommé IGRB, qui est généralement associé à l'émission de sources non résolues, mais peut aussi contenir une contribution due à la MN. Les sources gamma les plus nombreuses sont les noyaux actifs de galaxies (NAG) divisés en blazars et NAG non-alignés (NAGna) selon l'orientation de leur jet. Nous avons calculé le flux gamma des NAGna à l'aide de la corrélation entre luminosité radio et gamma pour un échantillon de sources détectées dans les deux bandes. Nous avons ainsi démontré que les très nombreux NAGna peuvent contribuer de 10% à 100% du IGRB mesuré par FL.Nous avons étudié les blazars et, pour la première fois, nous avons utilisé les données de FL et des télescopes TeV au sol en synergie pour dériver leur fonction de luminosité et leur distribution spectrale d'énergie. Nous avons démontré que cette population représente environ 10% du IGRB à 100MeV, jusqu'à sa totalité à des énergies plus élevées, expliquant en détail le ramollissement de l'émission IGRB aux énergies supérieures à 100GeV.Les pulsars sont les sources galactiques le plus nombreuses de gamma et radio. Nous avons calculé que leur contribution maximale au IGRB est de 1% et qu' elles contribuent à hauteur de 8% à l' excès au centre galactique. Compte tenu des résultats précédents, nous avons déduit que l'émission des NAG et des galaxies à sursaut de formation d'étoiles peut expliquer très bien et au même temps l'anisotropie et l'intensité du IGRB. Nous avons calculé les limites supérieures à la section efficace d' annihilation de MN, si on rajoute ce mécanisme d'émission aux contributions astrophysiques. Ces limites sont très strictes, autour de la valeur thermique canonique, pour une large gamme de masses de MN. Nous avons également identifié des régions dans l' espace des paramètres masse MN-section efficace d' annihilation peut améliorer l'ajustement aux données.Les flux de positons (e+) et électrons (e-) pourraient eux aussi cacher un signal de MN. La fraction de e+ (FP) devrait diminuer avec l' énergie si le mécanisme principal de production de e+ était secondaire, à savoir dû à l'interaction des rayons cosmiques avec le milieu interstellaire. Cependant AMS-02 mesure une augmentation de la FP aux énergies supérieures à 10 GeV. Nous avons calculé l'émission de e+ et de e- de rémanent de Supernovae, de nébuleuse de vent de pulsars (NVP) et de production secondaire, montrant que les flux leptoniques peuvent être entièrement expliquée par ces émissions astrophysiques et que la hausse de la FP est compatible avec une émission de paires par les NVP.Enfin, nous avons construit une section efficace phénoménologique pour la production secondaire d'antiprotons, en utilisant les données existantes. Nous avons dérivé que l'incertitude sur la production d'antiprotons totale est d' au moins 20%. Ainsi, à moins que les incertitudes soient réduites grâce à de nouvelles mesures, il sera difficile de dévoiler une contribution de MN au flux d' antiprotons au-delà de la production secondaire avec les prochaines données de AMS-02, à moins que le composant de MN soit dominante dans une certaine gamme d'énergie.Les prochaines années seront très excitantes pour la chasse à la MN: de nouvelles mesures gamma et de particules chargées vont atteindre une précision incroyable; un grand effort devrait être fait dans la modélisation de l' émission de ces flux par des sources astrophysiques afin de démêler un signal de MN des inévitables bruits de fonds / Evidences of an invisible matter component in the Universe are present at many scales. This component, called dark matter (DM), is weakly interacting, stable on cosmological scales, non-relativistic, not made of baryonic particles and costitutes about the 28% of the Universe. One of the main strategies to identify DM is the indirect detection of particles produced via DM annihilation. gamma rays are one of the most promising channels. The Fermi-LAT has measured an isotropic gamma-ray backgound (IGRB) which is associated to the emission from unresolved sources, but could also contain an exotic component from DM. The most numerous gamma-ray sources are the Active Galactic Nuclei (AGN) divided in blazars and misaligned AGN (MAGN) according to the orientation of their jet. We have derived the gamma-ray emission from MAGN using the correlation between the radio and gamma-ray luminosities of a sample of detected sources. The unresolved MAGN are very numerous and we have demonstrated that they can account from 10% up to 100% of the IGRB measured by the Fermi-LAT.We have also studied the blazars and, for the first time, we used the Fermi-LAT data and the IACTs measure- ments in synergy to have a better understanding of their spectral energy distribution (SED). Considering these sets of catalogs, we have derived their SED and gamma-ray luminosity function demonstrating that this population accounts for about 10% of the IGRB at 100 MeV up to its totality at higher energies, fully explaining the softening of the IGRB emission at energy larger than 100 GeV.The most numerous Galactic gamma-ray and radio emitting population is the pulsar class. We have calculated that the maximal contribution of pulsars to the IGRB is 1% and that they contribute up to 8% to the putative gamma-ray excess found in the Galactic center.Using the previous results we have derived that the emission from AGN and Star Forming Galax- ies can provide very good fits to the anisotropy and intensity of the Fermi-LAT IGRB. We have also calculated upper limits to the annihilation cross section of DM adding this exotic emission mechanism to the astrophysical source populations. These limits are quite stringent, around the canonical thermal relic value for a wide range of DM masses. We have also identified regions in the DM mass and annihilation cross section parameter space which can significantly improve the fit to data.Positrons and electrons spectra could also hide a DM signal. The positron fraction (PF) is expected to have a decreasing shape if the main mechanism of positron production is ”secondary”, namely due to the interaction of cosmic rays with the interstellar medium. However AMS-02 measured an increased PF at energy larger than 10 GeV. We have calculated the electron and positron emission from Supernovae Remnants, Pulsar Wind Nebulae and secondary production showing that the electron, positron, PF and the inclusive spectra can be fully explained by these astrophysical emissions and that the rising of the PF is consistent with the Pulsar Wind Nebulae emission of positrons.Finally we have built a phenomenological cross section for the secondary production of antiprotons. We have used the most up-to-date data sets and derived that the uncertainty on the total antiproton production is at least 20%. Thus, unless cross section uncertainties will be reduced thanks to new measurements, it will be difficult to unveil a DM contribution to antiprotons above the secondary production with the upcoming AMS-02 antiproton data, unless the DM component is really dominant in some energy range.The next years will be exciting for the hunting of DM. New measurements on gamma-rays and charged parti- cles are going to reach incredible precision and a strong effort should be done in the modeling of the gamma-ray and charged particles emission from galactic and extragalactic sources in order to disentangle a signal of DM above this unavoidable astrophysical background