AIX-MARSEILLE UNIVERSITÉ ECOLE DOCTORALE ED352 Centre De Physique Théorique/UMR 7332 Équipe De Gravité Quantique
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AIX-MARSEILLE UNIVERSITÉ ECOLE DOCTORALE ED352 Centre de Physique Théorique/UMR 7332 Équipe de Gravité Quantique Thèse présentée pour obtenir le grade universitaire de docteur Discipline : PHYSIQUE ET SCIENCES DE LA MATIERE Spécialité : Physique Théorique et Mathématique Hongguang Liu Aspects of Quantum Gravity Aspects de Gravitation Quantique Soutenue le 04/07/2019 devant le jury composé de : Francesca Vidotto University of the Basque Country, Spain Rapporteur Yidun Wan Fudan University, China Rapporteur Marc Geiller ENS Lyon Examinateur Federico Piazza Aix-Marseille University Examinateur Daniele Steer APC, Paris 7 Examinateur Madhavan Varadarajan Raman Research Institute, India Examinateur Karim Noui LMPT, Tours Co-Directeur de thèse Alejandro Perez Aix-Marseille University Directeur de thèse Numéro national de thèse/suffixe local : Cette oeuvre est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 4.0 International. Résumé La nature de la gravite quantique est une question ouverte importante en phy- sique fondamentale dont la résolution nous permettrait de comprendre la struc- ture la plus profonde de l’espace-temps et de la matière. Cependant, jusqu’a’ présent, il n’y a pas de solution complète a’ la question de la gravité quantique, malgré de nombreux efforts et tentatives. La gravitation quantique en boucle est une approche particulière de la gravitation quantique indépendante du fond, inspirée par une formulation de la relativité générale en tant que théorie dynamique des connexions. La théorie contient deux branches, l’approche canonique et l’approche de mousses de spin. La manière canonique est basée sur la formulation hamiltonienne de l’action de premier ordre de la relativité générale suivant une quantification à la Dirac sur des algèbres de flux, tandis que les modelés de mousses de spin se présentent comme une formulation covariante de la gravite quantique, définie comme un modelé de somme d’état sur graphiques. Cette thèse concerne principalement, sans toutefois s’y limiter, le problème de la gravite quantique dans le contexte de la gravite quantique en boucle. Les deux aspects fondamentaux et les conséquences physiques de la gravite à boucles sont étudies dans ce travail. La description de la gravite en termes de groupe de jauge non compacte su(1, 1) est étudiée a’ la fois de manière canonique et sous forme de mousse de spin. Nous étudions l’invariance de Lorentz de la gravite quantique de la boucle, a’ la fois dans l’approche canonique et dans le modelé de mousse de spin. Nous présentons une description de jauge su(1, 1) de la théorie de la gravite en quatre dimensions, au lieu de la description habituelle su(2). Nous étudions la quantification de boucle au niveau cinématique, ou’ nous avons constate que les aires de type espace ont des spectres discrets, tandis que les aires de type temps ont des spectres continus. Pour les aires de type espace, il n’y a pas d’anomalie entre la description su(1, 1) et la description su(2). Dans le même temps, nous effectuons l’analyse semi-classique (asymptotique pour grand j ) du modelé de mousse de spin de Conrady-Hnybida dans une situation très générale dans laquelle des tétraèdres de type temps avec des triangles de type temps sont pris en compte. Nous identifions la contribution dominante avec des géométries simplicales discrètes et nous retrouvons l’action de gravite de Regge. Dans une seconde partie de cette thèse, je me suis penche sur le problème de la dynamique effective de la gravitation à boucle a’ haute énergie en cosmologie et dans le contexte de la physique de trous noirs. Nous étudions le lien entre la gravite mimétique étendue, une classe de théories scalaires-tenseurs, et la dy- 3 namique effective de la cosmologie quantique à boucles ainsi que les modèles de trous noirs polymères sphériques inspirés de la gravite quantique à boucles. La comparaison entre les formulations mimétiques et hamiltoniennes de poly- mère nous fournit un guide pour comprendre l’absence de covariance dans les modèles de polymères non homogènes. En attendant, nous résolvons explicite- ment les équations d’Einstein modifiées dans le cadre de modèles de polymères effectifs a’ symétrie sphérique. La métrique effective pour une géométrie de trou noir intérieure statique décrivant la région piégée est donnée. Les résultats obte- nus dans cette partie ont des implications intéressantes pour la cosmologie sans singularité et les trous noirs qui méritent d’être approfondies. Mots-clés : gravité quantique, gravité quantique en boucle, modèles de mousse de spin, limite semi-classique, dynamique effective, trous noirs, cosmologie quan- tique en boucle, gravité mimétique, théories scalaires-tenseurs 4 Abstract The nature of quantum gravity is an important open question in fundamental physics whose resolution would allow us to understand the deepest structure of space-time and matter. However, up to now there is no complete solution to the question of quantum gravity, despite many efforts and attempts. Loop quan- tum gravity is a tentative background independent approach to quantum gravity inspired by a formulation of general relativity as a dynamical theory of connec- tions. The theory contains two approaches, the canonical approach and the spin foam approach. The canonical way is based on the Hamiltonian formulation of the first order action of pure gravity following a dirac quantization of holonomy- flux algebras, whereas the spin foam model arises as a covariant formulation of quantum gravity, which is defined as a state sum model over certain graphs. This thesis mostly involves, but not restricts to, the problem of quantum grav- ity in the context of loop quantum gravity. Both fundamental aspects and the physical consequences of loop gravity are investigated in this work. The descrip- tion of gravity in terms of a non-compact gauge group su(1, 1) is studied in both the canonically as well as in the spin foam approach. We study the Lorentzian invariance of loop quantum gravity, in both the canonical approach and the spin foam model approach. We introduce an su(1, 1) gauge description of gravity the- ory in four dimensions, instead of the usual su(2) description. We investigate the loop quantization at the kinematical level, where we find that space-like areas have discrete spectra, whereas time-like areas have continuous spectra. And we show that there is no anomaly between the su(1, 1) description and the su(2) description of space-like areas. Meanwhile, we perform the semi-classical (large- j asymptotic) analysis of the spin foam model (Conrady-Hnybida extension) in the most general situation, in which timelike tetrahedra with timelike triangles are taken into account. We identify the dominant contribution to the discrete simplicial geometries and recover the Regge action of gravity. On a second part of this thesis we focus on the problem of the high energy effective dynamics of loop gravity in cosmology and black holes through simpli- fied models. We investigate the link between the family of extended Mimetic gravity, a class of scalar-tensor theories, and the effective dynamics of loop quan- tum cosmology as well as the spherical polymer black hole models inspired from loop quantum gravity. This comparison provides us with a guide to understand the absence of covariance in inhomogeneous polymer models. Futhermore, we solve the modified Einstein’s equations explicitly in the framework of effective spherically symmetric polymer models. The effective metric for a static interior 5 Black Hole geometry describing the trapped region is given. The results obtained in this part lead to some interesting implications for singularity free cosmology and black holes which are worth pursuing further. Keywords: quantum gravity, loop quantum gravity, spin foam models, semi- classical limit, effective dynamics, black holes, loop quantum cosmology, mimetic gravity, scalar-tensor theories 6 List of Publications The thesis is based on the following papers, which are the result of my own work and of collaborations during my doctoral studies at Aix-Marseille University since Oct. 2016. a 1. ‘‘Asymptotic analysis of spin foam amplitude with timelike triangles” H. Liu and M. Han. Phys. Rev. D 99, no. 8, 084040 (2019), arXiv:1810.09042 [gr-qc] 2. ‘‘Polymer Schwarzschild black hole: An effective metric” J. Ben Achour, F. Lamy, H. Liu and K. Noui. EPL 123, no. 2, 20006 (2018), arXiv:1803.01152 [gr-qc] 3. ‘‘Non-singular black holes and the Limiting Curvature Mechanism: A Hamil- tonian perspective” J. Ben Achour, F. Lamy, H. Liu and K. Noui. JCAP 1805, no. 05, 072 (2018), arXiv:1712.03876 [gr-qc] 4. ‘‘Effective loop quantum cosmology as a higher-derivative scalar-tensor the- ory” D. Langlois, H. Liu, K. Noui and E. Wilson-Ewing. Class. Quant. Grav. 34, no. 22, 225004 (2017), arXiv:1703.10812 [gr-qc] 5. ‘‘Gravity as an su(1, 1) gauge theory in four dimensions” H. Liu and K. Noui. Class. Quant. Grav. 34, no. 13, 135008 (2017) ,arXiv:1702.06793 [gr-qc] The following recent work and early investigations will not be directly ad- dressed in this thesis: 1. ‘‘Stealth Schwarzschild-(A)dS black hole in DHOST theories after GW170817: Linear time-dependent scalar dressing” J. B. Achour and H. Liu. Phys. Rev. D 99, no. 6, 064042 (2019), arXiv:1811.05369 [gr-qc] 2. ‘‘Semiclassical analysis of black holes in loop quantum gravity: Modeling Hawking radiation with volume fluctuations” P. Heidmann, H. Liu and K. Noui. Phys. Rev. D 95, no. 4, 044015 (2017), arXiv:1612.05364 [gr-qc] a. The complete list of publications can be found on inspire hep: http://inspirehep.net/author/profile/Hong.Guang.Liu.1. All publications listed here are peer-reviewed papers. 7 3. ‘‘Distinguishing f(R) theories from general relativity by gravitational lens- ing effect” H.