Scalar interactions, Gravity and Black Holes

par Carlo Branchina

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Karim Benakli.

Le président du jury était Delphine Hardin.

Le jury était composé de Guillaume Bossard, Mariana Graña.

Les rapporteurs étaient Aldo Deandrea, Michele Frigerio.

  • Titre traduit

    Interactions scalaires, gravité et trous noirs


  • Résumé

    Quelle que soit la théorie microscopique fondamentale qui décrit l’Univers, à énergies suffisamment basses celle-ci doit être bien décrite par une théorie effective des champs, c’est à dire une théorie quantique des champs valable jusqu’à une certaine énergie maximale. C’est ici que de nouveaux degrés de libertés doivent se manifester et prendre le relais. Dans ce cadre, même en absence d’une théorie quantique de la gravité, il est possible d’en étudier certaines propriétés de faibles énergies. A cet égard, à partir d’ aspects connu de la gravité quantique, le Swampland a pour but celui d’individuer comment ceux-ci se traduisent en contraintes pour la théorie des champs qui en donne une description effective à faibles énergies. Dans cette thèse, nous allons étudier une de ces contraintes connue comme la “Weak Gravity Conjecture”, qui, dans sa forme d’origine, non seulement traduit l’idée que la gravité soit plus faibles que les interactions électromagnétiques aux énergies dont nous faisons expérience, mais permet aussi que tous les trous noirs de Reissner-Nordström se désintègrent . Je montrerais comment il est possible d’étendre ceci à d’autres situations. En particulier, nous allons voir selon quelle logique il est possible de contraindre les interactions scalaires pour qu’elles soient dominantes par rapport à la gravité, et quelles contraintes posent la désintégration de trous noirs ayant une charge scalaire. Une prédiction de la conjecture pour les modèles avec un boson de jauge sombre faiblement mélangé au photon sera aussi discutée. Dans le domaine de validité de la théorie effective, la forme que celle-ci prend à une certaine énergie est reliée à celle qu’elle a à une autre énergie à travers le flux décrit par le groupe de renormalisation. Dans une deuxième partie de la thèse, je montrerais que la formulation du groupe de renormalisation donnée par Wilson peut nous apporter un point de vue différent sur le problème de “naturalness”, notamment liée à la forte sensibilité des masses scalaires aux détails de la théorie d’hautes énergies qui complète la théorie effective.


  • Résumé

    Whatever the fundamental, microscopic, theory that describes the Universe is, at sufficiently low energies it should be well described by an effective field theory, i.e. a quantum field theory valid up to a certain maximal energy. It is at this energy scale that new degrees of freedom should manifest and take over. In this framework, even in the absence of a quantum theory of gravity, it is possible to study some of its low energy properties. Starting from known aspects of quantum gravity, the Swampland program aims to describe how those are translated into constraints on the quantum field theory that gives an effective description at low energies. In this thesis, we will study one such constraint, known as the Weak Gravity Conjecture, that, in its original formulation, not only translates the idea that gravity should be weaker than the electromagnetic interactions at the energy scale we usually experience, but also allows for the decay of all Reissner-Nordström black holes. I will show how to extend the conjecture to other setups. In particular, we will see what rationale can be used to constrain scalar interactions to be dominant with respect to gravity, and what kind of constraint does the decay of black holes with scalar charges impose. A prediction of the conjecture for models with a dark gauge boson weakly mixed to the Standard Model photon will be discussed. In the domain of validity of the effective field theory, the value of its parameters at a certain energy scale is related to the value at another scale through the evolution described by the Renormalization Group. In the second part of the thesis, I will show that the Wilson formulation of the Renormalization Group can provide a new way to look at the naturalness/hierarchy problem, related to the sensitivity of scalar masses to the details of the high energy theory that completes the Standard Model.


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