Published June 19, 2023 | Version v1
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Investigations of Boundaries and Branes in the Holographic Duality

Description

Quantum conformal field theory (CFT) is a special type of quantum field theory which is symmetric under conformal transformations of space-time. Because of their relative simplicity, CFTs appear in many different areas of theoretical physics such as condensed matter physics and quantum gravity. For example in the study of statistical mechanical systems, CFTs appear as continuum effective descriptions of collective phenomena near a critical point where a phase transition occurs. In this context, the existence of different types of CFTs is connected to the classification of different universality classes of phase transitions. As theories by themselves, CFTs do not describe the gravitational force which is transmitted by the graviton particle. However, CFTs are deeply connected to gravity in string theory where they determine the dynamics of quantum mechanical strings. The spectrum of vibrational modes of a string include the graviton making string theory a theory of quantum gravity which is self-consistent based on vast theoretical knowledge. Hence CFTs have played a central role in the development of string theory and in our quest to unify Einstein's theory of gravity with quantum mechanics. The main milestone in the modern understanding of quantum gravity was the discovery of the holographic duality in string theory. Simply put, the duality says that there exist special CFTs which contain rules to describe gravity hidden in them. However, these rules are holographic, because they describe gravity in a space-time with one extra dimension: the duality is like a hologram where a three-dimensional image (gravity) is encoded on a two-dimensional surface (CFT). Not only is the holographic duality useful in understanding the structure of quantum gravity, it is also extremely powerful in predicting dynamics of strongly interacting quantum fields that occur inside neutron stars for example. This thesis is devoted to the study of the holographic duality and it is based on four research articles on the topic. The focus is on how extended objects, namely boundaries and branes, behave on both sides of the duality. In string theory, boundaries of open strings describe dynamics of D-branes whose understanding was crucial for the discovery of the holographic duality in the first place. Similarly on the CFT side, boundaries give raise to observable effects such as the Casimir effect when the system is confined between two parallel plates. The goal of the thesis is to give an introduction to these concepts in the context of the holographic duality. (author)

Abstract (French)

Une theorie quantique des champs est conforme lorsqu'elle est symetrique sous les transformations conforme de l'espace-temps. En raison de leur relative simplicite, les CFT apparaissent dans de nombreux domaines de la physique theorique tels que la physique de la matiere condensee et la gravite quantique. Par exemple, dans l'etude des systemes de mecanique statistique, les CFT apparaissent comme des descriptions effectives dans le limite du continu de phenomenes collectifs pres d'un point critique ou une transition de phase se produit. Dans ce contexte, l'existence de differents types de CFT est liee a la classification de differentes classes d'universalite de transitions de phase. En tant que theories en elles-memes, les CFT ne decrivent pas la force gravitationnelle qui est transmise par le graviton. Cependant, les CFT sont profondement liees a la gravite dans la theorie des cordes ou elles determinent la dynamique des cordes quantiques. Le spectre des modes de vibration d'une corde comprend le graviton, ce qui fait de la theorie des cordes une theorie de la gravite quantique coherente et s'appuie sur de vastes connaissances theoriques. Ainsi, les CFT ont joue un role central dans le developpement de la theorie des cordes et dans notre quete pour unifier la theorie de la gravite d'Einstein avec la mecanique quantique. La principale etape dans la comprehension moderne de la gravite quantique a ete la decouverte de la dualite holographique dans la theorie des cordes. En termes simples, la dualite enonce que certaines CFT contiennent des regles pour decrire la gravite cachees en elles. Cependant, ces regles sont holographiques car elles decrivent la gravite dans un espace-temps avec une dimension supplementaire: la dualite est comme un hologramme ou une image tridimensionnelle (la gravite) est encodee sur une surface bidimensionnelle (CFT). Non seulement la dualite holographique est utile pour comprendre la structure de la gravite quantique, elle est egalement extremement puissante pour predire la dynamique de champs quantiques fortement couples qui se produisent, par exemple, a l'interieur des etoiles a neutrons. Cette these est consacree a l'etude de la dualite holographique et est basee sur quatre articles de recherche sur le sujet. L'accent est mis sur la maniere dont les objets etendus, a savoir les bords et les branes, se comportent des deux cotes de la dualite. Dans la theorie des cordes, les bords des cordes ouvertes decrivent la dynamique des D-branes dont la comprehension a ete cruciale pour la decouverte de la dualite holographique en premier lieu. De meme, du cote des CFT, les bords donnent lieu a des effets observables tels que l'effet Casimir lorsque le systeme est confine entre deux plaques paralleles. L'objectif de la these est de donner une introduction a ces concepts dans le contexte de la dualite holographique. (auteur)

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Original title (English)
Etudes des Bords et des Branes dans la Dualite Holographique

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Imprint Pagination
90 p.
Report number
FRNC-TH--15724

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158 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses