In this thesis, two aspects of string theory are discussed, tensionless strings and supersymmetric sigma models. The equivalent to a massless particle in string theory is a tensionless string. Even almost 30 years after it was first mentioned, it is still quite poorly understood. We discuss how tensionless strings give rise to exact solutions to supergravity and solve closed tensionless string theory in the ten dimensional maximally supersymmetric plane wave background, a contraction of AdS(5)xS(5) where tensionless strings are of great interest due to their proposed relation to higher spin gauge theory via the AdS/CFT correspondence. For a sigma model, the amount of supersymmetry on its worldsheet restricts the geometry of the target space. For N=(2,2) supersymmetry, for example, the target space has to be bi-hermitian. Recently, with generalized complex geometry, a new mathematical framework was developed that is especially suited to discuss the target space geometry of sigma models in a Hamiltonian formulation. Bi-hermitian geometry is so-called generalized Kähler geometry but the relation is involved. We discuss various amounts of supersymmetry in phase space and show that this relation can be established by considering the equivalence between the Hamilton and Lagrange formulation of the sigma model. In the study of generalized supersymmetric sigma models, we find objects that favor a geometrical interpretation beyond generalized complex geometry.

By using the Kaluza-Klein reduction, the derivation of the maximal supergravities from the D=11 supergravity theory, as well as the Abelian Yang-Mills supergravities from the D=10 type I supergravity theory are discussed. After a thorough review of the symmetric spaces the symmetric space sigma model is studied in detail. The first-order formulation of both the pure and the matter coupled symmetric space sigma model is presented in a general formalism. The dualisation of the non-gravitational Bosonic sectors of the D=11, IIB and the maximal supergravities are also reviewed in a concise but a self-contained formulation. As an example of the dualisation of the matter coupled supergravities, the doubled formalism is constructed for the D=8 Salam-Sezgin supergravity.

This thesis considers two different aspects of string theory, the tensionless limit of the string and supersymmetric sigma models with extended supersymmetry. First, the tensionless limit is used to find a IIB supergravity background generated by a tensionless string. The background has the characteristics of a gravitational shock-wave. Then, the quantization of the tensionless string in a pp-wave background is performed and the result is found to agree with what is obtained by taking a tensionless limit directly in the quantized theory of the tensile string. Hence, in the pp-wave background the tensionless limit commutes with quantization. Next, supersymmetric sigma models and the relation between extended world-sheet supersymmetry and target space geometry is studied. The sigma model with N=(2,2) extended supersymmetry is considered and the requirement on the target space to have a bi-Hermitean geometry is reviewed. The Hamiltonian formulation of the model is constructed and the target space is shown to have generalized Kähler geometry. The equivalence between bi-Hermitean geometry and generalized Kähler follows, in this context, from the equivalence between the Lagrangian- and Hamiltonian formulation of the sigma model. Then, T-duality in the Hamiltonian formulation of the sigma model is studied and the explicit T-duality transformation is constructed. It is shown that the transformation is a symplectomorphism, i.e. a generalization of a canonical transformation. Under certain assumptions, the amount of extended supersymmetry present in the sigma model is shown to be preserved under the T-duality transformation. Next, extended supersymmetry in a first order formulation of the sigma model is studied. By requiring N=(2,2) extended world-sheet supersymmetry an intriguing geometrical structure arises and in a special case generalized complex geometry is found to be contained in the new framework.

En utilisant des modèles sigma non-linéaires de fonctions d'un espace-temps D-dimensionnel à un espace symétrique G/H, nous discutons de solutions de type trou noir et membrane noire dans diverses théories de gravité supersymétriques. Un espace symétrique est une variété, riemannienne ou pseudo-riemannienne, pour laquelle le tenseur de Riemann est covariantement constant. L'utilisation du dictionnaire Kac-Moody/supergravité et les techniques de réduction dimensionnelles nous permettent de décrire des trous noirs de cohomogénéité un comme des géodésiques sur G/H. Un espace-temps M, potentiellement agrémenté d'un trou noir, est de cohomogénéité un s'il existe un groupe d'isométries Iso qui agit sur M et dont le quotient M/Iso est uni-dimensionnel. L'utilisation d'algèbres de Kac-Moody dans les théories de gravité a été développé dans l'espoir de décourvrir la symétrie sous-jacente de la théorie des cordes, aussi appelée théorie M. Les techniques de réduction dimensionnelle ont depuis longtemps été utilisées pour dévoiler les symétries cachées des théories de gravité. Dans la description du modèle sigma, les trous noirs extrémaux ou branes noires sont des géodésiques nulles et correspondent à un élément nilpotent de l'algèbre de Lie g de G. Un élément X nilpotent est caractérisé par la propriété X^n = 0. En utilisant le formalisme mathématique decrivant les orbites nilpotentes, nous classifions tous les trous noirs extrémaux dans la supergravité N=2 minimale à quatre dimensions, N=2 S^3 supergravité en quatre dimensions et la supergravité minimale en cinq dimensions. De la même manière, quand G est un sous-groupe d'un groupe Kac-Moody, très-étendu ou sur-étendu, on envoie l'orbite nilpotente minimale, en utilisant le plus haut poids de g, sur des solutions supersymétriques et non-supersymétriques de type brane dans les théories de supergravité à dix et onze dimensions. Nos résultats montrent que les symétries du groupe de Lie sont très utiles de ces solutions pour classer et trouver de nouvelles solutions de type trou noir. Afin de prouver l'unicité et plusieurs autres résultats formels, nous avons développé des méthodes préliminaires dans l'espoir qu'elles puissent être utilisées à l'avenir pour l'étude des trous noirs. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse, nous analysons les propriétés géométriques des surfaces obtenues des solutions classiques des modèles sigma bosoniques et supersymétriques en deux dimensions ayant pour espace cible des variétés grassmanniennes G(m,n). Plus particulièrement, nous considérons la métrique, les formes fondamentales et la courbure gaussienne induites par ces surfaces naturellement plongées dans l'algèbre de Lie su(n). Le premier chapitre présente des outils préliminaires pour comprendre les éléments des chapitres suivants. Nous y présentons les théories de jauge non-abéliennes et les modèles sigma grassmanniens bosoniques ainsi que supersymétriques. Nous nous intéressons aussi à la construction de surfaces dans l'algèbre de Lie su(n) à partir des solutions des modèles sigma bosoniques. Les trois prochains chapitres, formant cette thèse, présentent les contraintes devant être imposées sur les solutions de ces modèles afin d'obtenir des surfaces à courbure gaussienne constante. Ces contraintes permettent d'obtenir une classification des solutions en fonction des valeurs possibles de la courbure. Les chapitres 2 et 3 de cette thèse présentent une analyse de ces surfaces et de leurs solutions classiques pour les modèles sigma grassmanniens bosoniques. Le quatrième consiste en une analyse analogue pour une extension supersymétrique N=2 des modèles sigma bosoniques G(1,n)=CP^(n-1) incluant quelques résultats sur les modèles grassmanniens. Dans le deuxième chapitre, nous étudions les propriétés géométriques des surfaces associées aux solutions holomorphes des modèles sigma grassmanniens bosoniques. Nous donnons une classification complète de ces solutions à courbure gaussienne constante pour les modèles G(2,n) pour n=3,4,5. De plus, nous établissons deux conjectures sur les valeurs constantes possibles de la courbure gaussienne pour G(m,n). Nous donnons aussi des éléments de preuve de ces conjectures en nous appuyant sur les immersions et les coordonnées de Plücker ainsi que la séquence de Veronese. Ces résultats sont publiés dans la revue Journal of Geometry and Physics. Le troisième chapitre présente une analyse des surfaces à courbure gaussienne constante associées aux solutions non-holomorphes des modèles sigma grassmanniens bosoniques. Ce travail généralise les résultats du premier article et donne un algorithme systématique pour l'obtention de telles surfaces issues des solutions connues des modèles. Ces résultats sont publiés dans la revue Journal of Geometry and Physics. Dans le dernier chapitre, nous considérons une extension supersymétrique N=2 du modèle sigma bosonique ayant pour espace cible G(1,n)=CP^(n-1). Ce chapitre décrit la géométrie des surfaces obtenues des solutions du modèle et démontre, dans le cas holomorphe, qu'elles ont une courbure gaussienne constante si et seulement si la solution holomorphe consiste en une généralisation de la séquence de Veronese. De plus, en utilisant une version invariante de jauge du modèle en termes de projecteurs orthogonaux, nous obtenons des solutions non-holomorphes et étudions la géométrie des surfaces associées à ces nouvelles solutions. Ces résultats sont soumis dans la revue Communications in Mathematical Physics. / In this Ph. D. thesis, we analyze the geometric properties of surfaces obtained from the classical solutions of the two-dimensional bosonic and supersymmetric sigma models which has Grassmann manifolds G(m,n) as target space. In particular, we consider the metric, the fundamental forms and the gaussian curvature induced by these surfaces which naturally live in the su(n) Lie algebra. The first chapter presents some preliminary tools to understand the elements of the following chapters. We present non-abelian gauge theories and bosonic grassmannian sigma models as well as its supersymmetric counterpart. Another section presents a construction of surfaces in the Lie algebra su(n) from the solutions of the bosonic sigma models. The three last chapters contained in this thesis presents the constraints that have to be imposed on the solutions of the models in order to generate constant gaussian curvature surfaces. From these constraints, we can give a classification of the solutions depending on the possible values of the curvature. The first two papers presents an investigation of these surfaces and of their associated solutions for the bosonic grassmannian sigma models. In the third paper, we generalize our approach to a supersymmetric extension of the bosonic CP^(n-1)= G(1,n) sigma model including some results for the general Grassmann manifold G(m,n). In chapter 2, we study the geometric properties of surfaces associated to holomorphic solutions of the grassmannian sigma models. We give a complete classification of these constant curvature solutions for the particular models G(2,n) with n=3,4,5. Furthermore, we establish two conjectures on the possible values of the gaussian curvature. We also give some elements of proof for these conjectures in terms of Plücker coordinates and immersions as well as Veronese curves. These results are published in the Journal of Geometry and Physics. The third chapter presents a similar analysis as in the second chapter in the case of non-holomorphic solutions of the bosonic grassmannian sigma models. This work generalizes the results obtained in the first paper and give a systematic algorithm to obtain such surfaces from the known solutions of the models. These results are published in the Journal of Geometry and Physics. In the last chapter of this thesis, we consider a N=2 supersymmetric extension of the bosonic sigma model which has the CP^(n-1)=G(1,n) manifold as target space. This chapter presents a geometric description of the surfaces obtained from the solutions of the model and shows, in the holomorphic case, that they have constant gaussian curvature if and only if the solutions consists of a generalization of the Veronese curve. Furthermore, using a gauge invariant formulation of the model in terms of orthogonal projectors, we obtain explicit non-holomorphic solutions and study the geometry of their associated surfaces. These results are submitted to Communications in Mathematical Physics.