À l’heure actuelle, l’interaction entre nucléons est décrite par une théorie effective des champs chiraux. Dans ce cadre théorique, les contributions aux observables nucléaires sont organisées en suite d’importance décroissante. En particulier, le calcul de la contribution principale nécessite de résoudre exactement l’équation de Schrödinger pour un certain Hamiltonien. Une description alternative de l’interaction nucléaire, dite théorie effective des champs sans pion, considère uniquement des nucléons comme degrés de liberté et mène à la même nécessité d’une résolution exacte de l’équation de Schrödinger. En pratique, de tels calculs sont irréalistes, même numériquement, pour des observables à N corps dès que N >> 10. Par conséquent, des approximations supplémentaires doivent être développées. Dans cette thèse, des approximations non-perturbatives basées sur des fonctions de Green auto-cohérentes (SCGF) ainsi que des approximations basées sur des théories des perturbations à N corps (MBPT) sont considérées dans le cadre de la théorie effective des champs sans pion. Le but de cette thèse est d’étudier l’invariance par le groupe de renormalisation d’observables à N corps calculées avec ces approximations supplémentaires. L’espoir étant de pouvoir ensuite étendre les conclusions tirées au cas de la théorie effective des champs chiraux. Dans le cas des approximations SCGF, l’analyse des résultats numériques produits avec un code à l’état de l’art révèle une instabilité critique amenant à des observables dépendant de la renormalisation. Un correctif est proposé et devra être implémenté avant tout futur calcul SCGF au sein de la théorie effective des champs sans pion. Cette étude révèle l’importance critique des approximations numériques sur l’invariance par le groupe de renormalisation des observables. Dans le cas des approximations perturbatives basées sur MBPT, une étude formelle ouvre la voie pour dériver, de manière systématique, une renormalisation adéquate pour un large ensemble d’approximation à N corps. / The current paradigm to describe the nuclear interaction is within the frame of Chiral Effective Field Theory (ₓEFT) which organizes contributions to observables in a serie of decreasing importance. It happens that the leading contribution already requires to solve exactly the Schrödinger equation with a particular Hamiltonian. The same requirement is at play in pionless EFT which considers only nucleonic degrees of freedom. Such calculations are numerically intractable for A-body observables with A >> 10. One must design an additional expansion and truncation for many-body observables. In this thesis, non-perturbative approximations on the basis self-consistent Green’s function (SCGF) and on many-body perturbation theory (MBPT) are considered together with a pionless EFT. The goal of the present thesis is to investigate, in such framework, the renormalization invariance of many-body observables computed in A-body sectors with A >> 10. Hopefully the lessons learnt can be extended to ₓEFT. Analysis of numerical calculations realized with a state-of-the-art SCGF code reveals a critical numerical approximation leading to renormalization dependent observables. A necessary fix is proposed and must be implemented before any calculations based on SCGF and EFT in the future. This emphasizes the criticality of numerical approximations for any calculation within a pionless EFT. At the same time, renormalization invariance of observables computed within MBPT is studied formally, opening the path to formulate the renormalization of a wide range of many-body truncation schemes in the future.

The goal of the original research presented in this thesis is to study the strong coupling regime of Quantum Field Theories (QFTs) with different methods, making concrete predictions about the phase structure and the dynamics of these theories, and on their observables. The focus is on (gauge) field theories in three spacetime dimensions, which are an interesting laboratory to understand the properties of strong coupling in setups that are usually simpler than in the more familiar case of gauge theories in four dimensions. Importantly, topological effects play a relevant role in three dimensions, thanks to the presence of the so-called Chern-Simons term.The thesis contains a short introduction to QFTs in 3d, principles and applications of infrared dualities, large N techniques, and holography. Indeed, the web of infrared dualities, the large N expansion, and the holographic correspondence between QFT and gravity are the main tools which we use to investigate the strongly coupled regimes of 3d QFTs.Then, the original material is presented. In a first line of research, we focus on the study of the phase diagram of a 3d gauge theory making use of conjectured infrared dualities, extending such dualities to the case where more than one mass parameter can be dialed. In a second line of research, we study a class of 3d gauge theories by engineering their gravity dual in a string theory setup. We prove the existence of multiple phase transitions between phases characterized by both massless particles and topological sectors. In a third line of research, we use holography as a tool to explore the interplay between the physics of 4d QCD and 3d gauge theories. In particular, we analyze the properties of 3d domain walls, which appear as soliton-like solutions of 4d QCD in specific parametric regimes. Finally, we propose a boundary construction of 3d large N vector models, which appear as critical points of theories obtained by coupling degrees of freedom localized on a 3d boundary to a 4d bulk theory. This construction allows to prove new dualities and uncovers a new computational tool for 3d vector models. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In Chapter 1, we give an introduction to the topic of open string field theory. The concepts presented include gauge invariance, tachyon condensation, as well as the star product.<p>In Chapter 2, we give a brief review of vacuum string field theory (VSFT), an approach to open string field theory around the stable vacuum of the tachyon. We discuss the sliver state explaining its role as projector in the space of half-string basis. We review the construction of D-brane solutions in vacuum string field theory. We show that in the sliver basis the star product correspond to a matrix product. <p>Using the material introduced in the previous chapters, in Chapter 3 we establish a translation dictionary between open and closed strings, starting from open string field theory. Under this correspondence, we show that (off--shell) level--matched closed string states are represented by star algebra projectors in open string field theory. As an outcome of our identification, we show that boundary states, which in closed string theory represent D-branes, correspond to the identity string field in the open string side. <p>We then turn to noncommutative field theories. In Chapter 4, we introduce the framework in which we will work. The tools introduced are solitons, projectors, and partial isometries.<p>The ideas of Chapter 4 are applied to specific examples in Chapter 5, where we present new solutions of noncommutative gauge theories in which coincident vortices expand into circular shells. As the theories are noncommutative, the naive definition of the locations of the vortices and shells is gauge-dependent, and so we define and calculate the profiles of these solutions using the gauge-invariant noncommutative Wilson lines introduced by Gross and Nekrasov. We find that charge 2 vortex solutions are characterized by two positions and a single nonnegative real number, which we demonstrate is the radius of the shell. We find that the radius is identically zero in all 2-dimensional solutions. If one considers solutions that depend on an additional commutative direction, then there are time-dependent solutions in which the radius oscillates, resembling a braneworld description of a cyclic universe. There are also smooth BIon-like space-dependent solutions in which the shell expands to infinity, describing a vortex ending on a domain wall.<p>In Chapter 6, we review the Fronsdal models for free high-spin fields that exhibit peculiar properties. We discuss the triplet structure of totally symmetric tensors of the free String Field Theory and their generalization to AdS background.<p>In Chapter 7, in the context of massless higher spin gauge fields in constant curvature spaces discussed in chapter 6, we compute the surface charges which generalize the electric charge for spin one, the color charges in Yang-Mills theories and the energy-momentum and the angular momentum for asymptotically flat gravitational fields. We show that there is a one-to-one map from surface charges onto divergence free Killing tensors. These Killing tensors are computed by relating them to a cohomology group of the first quantized BRST model underlying the Fronsdal action.<p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la physique mathématique des interactions fondamentales. Elle porte sur l'étude des théories de champs qui décrivent les particules élémentaires. En particulier, les théories de champs de spin élevé (plus grand ou égal à 2) sont analysées. Mis à part pour le graviton, vecteur supposé des interactions gravitationnelles, il n'y a aucun indice que ces champs soient présents dans la nature. Cependant leur existence n'est pas impossible théoriquemement et ils interviennent dans la théorie des cordes, candidate pour une théorie quantique d'unification de toutes les forces fondamentales y compris la gravitation. En effet, les modes de vibration de la corde élémentaire sont décrits par des champs de spin élevé.  <p>Dans ce travail, la dimension de l'espace-temps est laissée arbitraire, ce qui entraine la possibilité d'avoir plusieurs sortes (= représentations) de champs différentes ayant le même spin.<p>Le premier aspect traité dans cette thèse concerne les dualités, symétries qui relient entre elles plusieurs théories. Il est montré que différentes représentations de champs de spin élevé sont duales au niveau de l'action. En particulier, en dimension quatre, la dualité échange la composante électrique et la composante magnétique d'un même champs. Cette propriété est ensuite utilisée pour introduire des sources magnétiques pour les champs de spin élevé. La construction généralise les travaux de Dirac sur le couplage au champ électromagnétique de monopoles magnétiques. Une condition de quantification est également dérivée pour des quantités conservées, qui généralise la condition de quantification de Dirac pour la charge électrique en présence de monopoles magnétiques.<p>La deuxième partie de la thèse est consacrée aux interactions de champs de spin élevé. L'analyse est effectuée dans le formalisme de champs et d'antichamps dévelopé par Batalin et Vilkovsky. Elle repose sur la procédure de déformation de l'équation maîtresse mise au point par Henneaux et Barnich. Les champs étudiés sont les champs de spin deux exotiques (c-à-d différents du graviton) ainsi que les champs de spin trois complètement symétriques. Pour les premiers, il est prouvé que toutes les interactions doivent être abélienne. Il n'y a donc pas d'équivalent de la théorie d'Einstein pour ces champs. Dans le cas des champs de spin trois, plusieurs vertex cohérents au premier ordre sont obtenus.<p><p><br><p><p>In this thesis, we consider two aspects of higher-spin gauge field theories: dualities and interactions.<p>The first aspect is related to the presence of dualities, i.e. 'hidden' symmetries among gauge field theories. Do two higher-spin theories corresponding to different irreducible representations of the Poincaré group have the same physical content. Duality relations were already known at the level of the equations of motion and Bianchi identities, here we prove (in some cases) that these dualities hold also at the level of the action. As a consequence, the dual theories are formally equivalent. For example, in five space-time dimensions the spin-two theory of Pauli and Fierz is dual to the theory of a mixed-symmetry spin-two field written by Curtright. <p><p>In four space-time dimensions the duality exchanges the electric and magnetic degrees of freedom of the field. This property leads us to introduce external magnetic sources for higher-spin fields, thereby generalizing to arbitrary spin the work of Dirac on the coupling of magnetic monopoles to the electromagnetic field. Similarly to the quantization condition on the product of the electric and magnetic charges for electromagnetism, there is a quantization condition on the product of conserved ``electric' and ``magnetic' charges for higher spins.<p><p>The second aspect of higher-spin gauge field theories that is analysed in this thesis is the problem of interactions. Self-interactions of exotic spin-two gauge fields are studied, as well as self-interactions of completely symmetric spin-three fields. This is done in the BRST field-antifield formalism developped by Batalin and Vilkovisky, using the technique of consistent deformations of the master equation proposed by Barnich and Henneaux. <p><p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ma thèse s'inscrit dans le cadre de l'unification des interactions fondamentales, dans lequel la théorie quantique de la gravitation devrait trouver une formulation cohérente. La piste la plus prometteuse dans cette voie semble être celle de la théorie M dont le groupe de symétrie a été conjecturé être le groupe de Kac-Moody. Diverses indications reliant cette théorie à des algèbres de Kac-Moody de type g++ proviennent de l’étude des théories de la gravitation couplée à des p-formes et des dilatons. En particulier, la dynamique du champs de gravitation à l’approche d’une singularité de type espace est contrôlée par le groupe de Weyl de ces algèbres (et interprétée comme le mouvement d’une particule libre sans masse sur un billard). <p><p>Nous avons étudié la limite BKL dans le contexte des cosmologies homogènes en terme de billard einsteiniens. Notre analyse confirme la restauration du comportement chaotique du champ gravitationnel lorsque la métrique est non – diagonale, en toutes les dimensions D d’espace-temps telles que 4<D<11. Des sous - algèbres infini - dimensionnelles des algèbres g++ apparaissent naturellement dans ce cadre. <p><p>En utilisant les propriétés des billards, nous avons déterminé la dimension maximale ainsi que le contenu en champs des théories de la gravitation qui, en D=3, se réduisent à la gravité couplée à une réalisation non linéaire du quotient G/K où G est un groupe de Lie simple non maximalement déployé et K son sous-groupe compact maximal. <p><p>Les billards peuvent être de volume fini ou infini. Dans ce dernier cas, la dynamique asymptotique du champ de gravitation (et des dilatons) est chaotique. Si le billard est identifiable à la chambre fondamentale de Weyl d’une algèbre de Kac-Moody, le critère pour que la dynamique asymptotique soit chaotique est que l’algèbre de Kac-Moody soit hyperbolique. Nous avons identifié toutes les algèbres hyperboliques résultant d’une théorie de la gravitation couplée à des p-formes et des dilatons. Pour chacune de ces algèbres, nous avons écrit un Lagrangien en dimension maximale. <p><p>On obtient des actions explicitement invariantes sous les groupes de Kac-Moody G++ (ou G+++) en copiant les modèles sigma décrivant un mouvement géodésique sur une variété homogène de type G++/K(G++) où K(G++) est le sous-groupe compact maximal de G++. Le lien entre cette construction et les théories de la gravitation couplée à des p-formes et dilatons n'est pas encore établi mais certaines connexions ont été mises en évidence. <p><p>- Nous avons inclus les fermions dans les actions invariantes sous G++. De plus, nous nous sommes intéressés à vérifier la compatibilité des fermions avec les symétries cachées en D=3. Nous avons étudié le comportement des fermions la limite BKL dans le langage des billards. <p><p>- Dans le cadre des théories invariantes sous G+++, les réflexions de Weyl peuvent s’interpréter comme des dualités entre théorie des cordes. Ces dualités peuvent changer la signature de l’espace-temps en des signatures exotiques ;nous avons obtenu toutes les signatures provenant ainsi d’une signature Lorentzienne. <p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce mémoire s'inscrit à l'intérieur d'une réflexion systématique et critique portant sur le concept de réalité, à partir des recherches de Planck, Bohr et Heisenberg qui permirent le développement de la physique quantique; celle-là même qui allait bouleverser les fondements scientifiques acquis, sur lesquels reposait notre connaissance du monde. Cependant, la quête pour la connaissance du réel, par le biais de la physique quantique, en tant que langage sur le réel, pose le problème de ce qu'il conviendrait de nommer la réalité, vue à partir d'un langage mathématique essentiellement abstrait. Le problème de l'"accessibilité" au réel, par le biais de telles constructions mentales, est en fait une question de légitimité de l'investigation théorique dans la quête du réel et ce, en tant qu'organisation spécifique d'un langage beaucoup plus vaste sur lequel elle revient constamment s'appuyer, celle de sa raison même de penser le monde existant, de le pressentir à travers la multiplicité de ses manifestations.

L'équation Korteweg de Vries (KdV) est un système integrable, car elle possède une infinité de lois de conservation en involution. Cette équation admet une classe d'extensions intégrables bosoniques ou fermioniques. Toutes ces extensions sont supersymétriques, soit à une ou deux supersymétries, à l'exception d'une extension fermio-nique et de sa généralisation à deux champs anti-commutants. Maintenant, il existe un système integrable semblable à l'équation KdV contenant un opérateur intégral dans l'équation d'évolution : l'équation Benjamin-Ono (B-O). On peut même relier via un développement en pôles l'équation B-O à un autre système integrable : le modèle de Calogero-Moser-Sutherland (CMS). Ce mémoire montre que l'on n'obtient que des extensions bosoniques et supersymétriques à l'équation B-O. Pour ces extensions, on espérait les relier à la version supersymétrique de CMS (sCMS). Finalement, nos extensions sont reliées au modèle CMS lui-même, car celles-ci sont bosoniques.

La physique quantique est un domaine qui est encore aujourd'hui difficile à approcher numériquement ; les calculs s'y rattachant souffrent du grand nombre de degrés de liberté que comportent les systèmes quantiques intéressants. Nous explorons deux alternatives aux solutions traditionnelles en les appliquant à des problèmes de la physique quantique. Nous étudions d'abord l'effet tunnel dans un potentiel double puits à l'aide du concept de l'action quantique. Nous montrons que l'action quantique reproduit avec précision la physique du système dans le régime quantique et qu'elle présente de nombreuses caractéristiques intéressantes. Nos résultats suggèrent aussi que l'action quantique peut être utilisée pour des potentiels asymétriques. Nous présentons ensuite la construction d'un Hamiltonien Monte Carlo pour la théorie de jauge sur réseau U(l). Nous calculons explicitement la mesure exacte de l'intégrale' de chemin pour U(l). Enfin, nous présentons comment ces résultats peuvent être généralisés pour des théories de jauge non-abéliennes SU(N).

Les travaux récents en fondements de la théorie quantique (des champs) et en information quantique relativiste tentent de mieux comprendre les effets des contraintes de causalité imposées aux opérations physiques sur la structure des corrélations quantiques. Le premier chapitre de cette thèse est consacré à l'étude des implications conceptuelles de la non-localité quantique, notion qui englobe celle d'intrication dans un sens précis. Nous détaillons comment les récentes approches informationnelles tentent de saisir la structure des corrélations non-locales, ainsi que les questions que ces dernières soulèvent concernant la capacité d'un observateur localisé à isoler un système de son environnement. Le second chapitre détaille les effets de l'invariance de Poincaré sur la détection et la quantification de l'intrication. Cette invariance impose que tous les systèmes soient modélisés en dernière instance dans le cadre de la théorie des champs, ce qui implique qu'aucun système à énergie finie ne puisse être localisé, ainsi que la divergence de toute mesure d'intrication pour des observateurs localisés. Nous fournissons une solution à ces deux problèmes en démontrant l'équivalence générique qui existe entre une résolution spatiale finie des appareils de mesure et l'exclusion des degrés de liberté de haute énergie de la définition du système observé. Cette équivalence permet une interprétation épistémique du formalisme quantique standard décrivant les systèmes localisés non-relativistes et leurs corrélations, clarifiant ainsi l'origine des mesures finies d'intrication pour de tels systèmes. Le dernier chapitre explore un cadre théorique récemment introduit qui prédit l'existence de corrélations quantiques sans ordre causal défini. Procédant par analogie avec le cas des corrélations non-locales, nous présentons quelques principes informationnels contraignant la structure de ces corrélations dans le but de mieux en comprendre l'origine physique. / Recent works in foundations of quantum (field) theory and relativistic quantum information try to better grasp the interplay between the structure of quantum correlations and the constraints imposed by causality on physical operations. Chapter 1 is dedicated to the study of the conceptual implications of quantum nonlocality, a concept that subsumes that of entanglement in a certain way. We detail the recent information-theoretic approaches to understanding the structure of nonlocal correlations, and the issues the latter raise concerning the ability of local observers to isolate a system from its environment. Chapter 2 reviews in what sense imposing Poincaré invariance affects entanglement detection and quantification procedures. This invariance ultimately forces a description of all quantum systems within the framework of quantum field theory, which leads to the impossibility of localized finite-energy states and to the divergence of all entanglement measures for local observers. We provide a solution to these two problems by showing that there exists a generic equivalence between a finite spatial resolution of the measurement apparatus and the exclusion of high-energy degrees of freedom from the definition of the observed system. This equivalence allows for an epistemic interpretation of the standard quantum formalism describing nonrelativistic localized systems and their correlations, hence a clarification of the origin of the finite measures of entanglement between such systems. Chapter 3 presents a recent theoretical framework that predicts the existence of correlations with indefinite causal order. In analogy to the information-theoretic approaches to nonlocal correlations, we introduce some principles that constrain the structure of such correlations, which is a first step toward a clear understanding of their physical origin.

Les moments magnétiques anomaux des leptons ont joué un rôle important dans le développement du modèle standard de la physique des particules. Aujourd’hui, celui du muon est mesuré très précisément et le sera avec une precision encore plus grande par une expérience qui débutera en 2017. Dans la mesure où la prédiction théorique pourra être faite avec des incertitudes comparables, un test rigoureux du modèle standard sera possible. Nous étudions ici le facteur limitant de cette prédiction, la contribution de la polarisation hadronique du vide à l’ordre dominant (HVP-LO). Nous calculons cette contribution numériquement à l’aide d’une version discrétisée de la théorie de l’interaction forte, la chromodynamique quantique sur réseau. Le calcul haute-performance permet de résoudre la théorie dans son régime hautement non-linéaire qui est le plus pertinent ici. Les algorithmes de simulation et les méthodes utilisées pour obtenir la polarisation hadronique, ainsi que les incertitudes associées, sont décrits. Ces méthodes sont ensuite appliquées à des simulations réalisées avec la collaboration Budapest-Marseille-Wuppertal. Dans un premier temps, elles sont implémentées dans une étude dédiée des effets de volume fini. Les méthodes les plus robustes sont ensuite utilisées pour calculer la polarisation hadronique avec des simulations qui comprennent N_f=2+1+1 saveurs de quarks. Celles-ci sont réalisées directement à la valeur physique des masses de quarks u, d, s et c, avec six tailles de maille et dans de gros volumes de 6 fm^3. Elles nous permettent de calculer la contribution HVP-LO au moment magnétique anomal du muon avec des erreurs contrôlées d’environ 3%. / The anomalous magnetic moments of leptons have played an important role in the development of the Standard Model of particle physics. Today, that of the muon is measured very precisely and will be so with even higher precision in an experiment that will begin in 2017. To the extent that the theoretical prediction can be made with comparable uncertainties, a rigorous test of the Standard Model will be possible. Here we study the limiting factor in this prediction, the leading-order hadronic vacuum polarization contribution (HVP-LO). We compute this contribution numerically with a discretized version of the theory of the strong interaction: lattice Quantum Chromodynamics. High-performance computing allows to solve the theory in its highly nonlinear regime, which is the one most relevant here. The simulation algorithms and the methods used to obtain the HVP, as well as the associated statistical and systematic uncertainties, are described. These methods are then applied to simulations performed with the Budapest-Marseille-Wuppertal collaboration. First they are implemented in a dedicated study of finite-volume effects. The most robust methods are then used to compute the HVP with simulations which include N_f=2+1+1 flavors of quarks. These are performed directly at the physical values of the u, d, s and c quark masses, with six lattice spacings and in large volumes of 6 fm^3. They allow us to compute the HVP-LO contribution to the anomalous magnetic moment of the muon with controlled errors of around 3%.