Aspects of Effective Field Theory and Quantum Anomalies in Gravity - Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie
Thèse Année : 2024

Aspects of Effective Field Theory and Quantum Anomalies in Gravity

Quelques aspects de théorie effective des champs et anomalies quantiques en gravité

Rémy Larue
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1416021
  • IdRef : 279880480

Résumé

Quantum Field Theory (QFT) is a rich and complex formalism that has proved to be tremendously fruitful over the past decades. Collective endeavor has allowed to greatly enhance our understanding of QFT, yet there remains much to unravel. The aim of this Ph.D. thesis is to help achieve a better understanding of some aspects of QFT, namely Effective Field Theories (EFTs) in curved spacetime and quantum (gravitational) anomalies.Throughout this thesis, our main tool will be the Path Integral, which is particularly suited when dealing with EFTs and anomalies in gravity. The first Chapter is thus dedicated to introducing the concept of Path Integral, its construction, its interpretation, and its use in QFT.The EFT paradigm has been in full swing for about a decade due to the lack of direct detection of new Physics in experiments. However, the Standard Model (SM) of Particle Physics exhibits unsolved puzzles, which call for Beyond the SM (BSM) models to resolve them. This indicates that the SM is an incomplete theory that breaks down above some energy scale, which is by definition an EFT. The effects of gravity in EFTs pertain to many scenarii (QFT around black holes, inflation, condensed matter systems, etc...), however computations in curved spacetime can quickly become untractable. This motivates the development of powerful computational tools to circumvent that difficulty. The second Chapter of this thesis is thus dedicated to introducing the EFT paradigm, and to presenting our results concerning EFT computations in gravity. As an interesting novelty, we fill a dearth in the literature concerning chiral fermions in gravity in the Path Integral, and obtain new effective operators that were omitted before.The subject of the last Chapter of this thesis is the study of quantum anomalies, which are the breaking of classical symmetries upon quantisation of the theory. Anomalies occur in low energy EFTs, and hold a prominent place due to their relation to topological invariants. As a result, topological anomalies are independent from the energy scale of the EFT, and provide direct insight into high energy effects. Besides their topological nature, they have important phenomenological implications, the historical example being the decay of pions into two photons. Anomalies are central in the understanding of QFTs, and have been the subject of many debates up until very recently. As we will see, difficulties are mainly due to their crucial link to divergences that need regularising and renormalising. These difficulties are exacerbated in curved spacetime when several symmetries are intertwined. Along with these discussions, several of our results are presented in Chapter 3. We first propose an efficient method to extract anomalies from EFTs while keeping non-anomalous symmetries under control. We then help solving a controversy regarding the presence of parity violating effects in the trace anomaly of a Weyl fermion. Finally, we extend our previous result to conclude on the absence of parity violating contributions to the trace anomaly in a model-independent manner.
La Théorie Quantique des Champs (TQC) est un formalisme riche et complexe qui s'est avéré remarquablement fructueux au cours des dernières décennies. Multitudes de travaux ont permis d'améliorer considérablement notre compréhension de la TQC, même s'il reste encore beaucoup à découvrir. L'objectif de cette thèse de doctorat est de contribuer à une meilleure compréhension de certains aspects de la TQC, notamment les Théories Effectives des Champs (TEC) en gravité et les anomalies quantiques (gravitationnelles).Tout au long de cette thèse, notre principal outil sera l'Intégrale de Chemin, qui est particulièrement adaptée pour traiter les TEC et les anomalies en gravité. Le premier chapitre est donc consacré à l'introduction du concept d'Intégrale de Chemin, sa construction, son interprétation et son utilisation en TQC.Le paradigme TEC est en plein essor depuis une dizaine d'années en raison de l'absence de détection directe de nouvelle Physique dans les collisionneurs. Cependant, le Modèle Standard (MS) de la Physique des Particules présente des énigmes non résolues, qui pointent vers de la Physique Au-delà du MS. Cela indique par ailleurs que le MS est une théorie incomplète qui n'est plus valide au-dessus d'une certaine échelle d'énergie, et est donc par définition une TEC. Les effets de la gravité dans les TEC concernent de nombreux scénarios (TQC autour des trous noirs, inflation, systèmes de matière condensée, etc...), cependant, les calculs en gravité peuvent rapidement devenir inextricables. Cela motive le développement d'outils de calcul puissants pour contourner cette difficulté. Le deuxième chapitre de cette thèse est donc consacré à l'introduction à la TEC et à la présentation de nos résultats concernant les calculs de TEC en gravité. De plus, nous comblons un manque dans la littérature concernant les fermions chiraux en gravité dans l'Intégrale de Chemin, et obtenons de nouveaux opérateurs effectifs qui étaient omis auparavant.Le sujet du dernier chapitre de cette thèse est l'étude des anomalies quantiques, qui sont la brisure de symétries classiques par la quantification d'une théorie. Les anomalies apparaissent dans les TEC à basse énergie, et occupent une place prépondérante en raison de leur lien aux invariants topologiques. En conséquence, les anomalies topologiques sont indépendantes de l'échelle d'énergie de la TEC, et fournissent un aperçu direct des effets à haute énergie. Outre leur nature topologique, elles ont d'importantes implications phénoménologiques, l'exemple historique étant la désintégration des pions en deux photons. Les anomalies sont centrales dans la compréhension des TQC, et ont fait l'objet de nombreux débats jusqu'à très récemment. Comme nous le verrons, les difficultés sont principalement dues à leur lien crucial à des divergences qui nécessitent une régularisation et une renormalisation. Ces difficultés sont exacerbées en gravité lorsque plusieurs symétries sont imbriquées. En plus de ces discussions, plusieurs de nos résultats sont présentés dans le chapitre 3. Nous proposons d'abord une méthode efficace pour extraire les anomalies des TEC tout en maintenant sous contrôle les symétries non-anomales. Nous contribuons ensuite à résoudre une controverse concernant la présence de violation de parité dans l'anomalie de trace d'un fermion de Weyl. Enfin, nous étendons notre résultat précédent pour conclure sur l'absence de violation de parité dans l'anomalie de trace, indépendamment d'un modèle.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04699802 , version 1 (17-09-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04699802 , version 1

Citer

Rémy Larue. Aspects of Effective Field Theory and Quantum Anomalies in Gravity. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. English. ⟨NNT : 2024GRALY019⟩. ⟨tel-04699802⟩
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