Université Aix Marseille École doctorale ED352
O Physique et Sciences de la Matière
Mémoire de Thèse de Doctorat
en vue de l’obtention du grade de
Docteur de l’Université d’Aix Marseille
Spécialité: Physique Théorique et Mathématique .
Théories de jauge et connexions généralisées sur les algébroïdes de Lie transitifs.
par Cédric Fournel
sous la direction et la co direction de
Thierry Masson et de Serge Lazzarini.
au Centre de Physique Théorique UMR 7332, de Marseille.
Thèse défendue publiquement le 22 juillet 2013 en présence du jury composé de
Frédéric Hélein Institut Jussieu, Paris VII en qualité d’examinateur Serge Lazzarini CPT, Marseille en qualité de co directeur de thèse Thierry Masson CPT, Marseille en qualité de directeur de thèse Volodya Roubstov Université d’Angers en qualité de rapporteur Walter V. Suijlekom IMAPP, Nimègue en qualité d’examinateur Franck Thuillier LAPTH, Annecy le Vieux en qualité de rapporteur
Aix Marseille University Doctoral School ED352
O Physique et Sciences de la Matière
A Dissertation submitted in partial fulfillment
of the requirements for the degree of
Doctor in Philosophy at Aix Marseille University
in subject of
Theoretical physics and mathematical physics .
Gauge theories and generalized connections on transitive Lie algebroids.
by Cédric Fournel
under the supervision of
Thierry Masson and Serge Lazzarini.
to the Centre de Physique Théorique UMR 7332, of Marseille.
Public defense scheduled in July, the 22nd of 2013 in presence of the committee
Frédéric Hélein Institut Jussieu, Paris VII PhD examiner Serge Lazzarini CPT, Marseille PhD co supervisor Thierry Masson CPT, Marseille PhD supervisor Volodya Roubstov University of Angers, Angers PhD referee Walter V. Suijlekom IMAPP, Nimègue PhD examiner Franck Thuillier LAPTH, Annecy le Vieux PhD referee
Je dédie l’ensemble de ma thèse à mon père.
Remerciements
Me voilà aux portes du titre de docteur en physique théorique et mathématique. En remon tant quelques années en arrière, je ne m’imaginais pas atteindre un jour un si prestigieux statue. D’ailleurs, je n’en n’ai jamais nourri l’ambition, comment l’aurais je pu alors qu’en touré de personnes autrement plus vif, plus travailleur et plus doué que moi ? Mon trésor caché à moi était ma certitude personnelle qu’il ne fallait jamais donner de concessions aux valeurs que l’on chérit et ce, en dépit de toutes ces influences qui tendent à nous pousser vers des rivages étrangers. Je remercie ici du plus sincèrement possible les personnes qui ont respecté cela et qui ont participé à faire germer la modeste graine que je fus. Je remercie mon père, auquel je dédie mon travail de thèse, pour avoir placer dans mon esprit l’intelligence comme la plus haute des vertus. Je remercie ma mère pour son amour total et inconditionnel, pour le reflet qu’elle me renvoie de la fierté que je lui inspire. Je remercie mon grand frère et ma petite soeur pour l’enfance idyllique que j’ai passé à leurs côtés. Je remercie mes grands parents pour la confiance qu’ils m’ont insuflé depuis la plus jeune enfance. Merci à mon très grand ami Jordan pour m’avoir fait connaître la Science en dehors de son carcan scolaire. Je remercie Anthony et Aurélie, mes premiers amis de ma venue à Marseille qui m’ont tant soutenu dans ma “cage à lapin” de la Cité U. Merci à mes amis de Nancy : Nathanaël, Chanelle, Pierre Alain et Josepha pour le respect qu’ils m’ont toujours témoigné. Je remercie mes deux directeurs de thèse, Thierry Masson et Serge Lazzarini, pour m’avoir offert cette (rare) opportunité de travailler sur des sujets aussi passionnants de Physique fondamentale : les échanges passés avec eux ont semé dans mon intelligence les graines de la Pensée scientifique et de bien plus encore. Merci aux membres de mon jury et rapporteurs de thèse, Franck, Volodya, Walter et Frédéric, d’avoir si spontanément accepté de me faire soutenir ma thèse dans les meilleurs délais. Je remercie l’ensemble du laboratoire du Centre de Physique Théorique pour m’avoir pris et accepté en son sein. Je remercie les secrétaires Catherine, Véronique, Bénédicte et Hélène pour leur constante jovialité. J’en profite pour remercier chaleureusement Michèle et Yolande T. pour m’avoir accompagné dans les démarches administratives de fin de thèse. Merci à tout mes collègues de bureau, Thomas S., Thomas K., Christian, Galliano, Bruno, Alejandro, Carlo, Edward, Aldo ainsi que Stefana, pour leur aide, leur amabilité et leur égard. Je remercie toutes celles et tout ceux que j’ai rencontré et qui ne m’ont pas oublié et qui se reconnaîtront.
Enfin, je remercie tout spécialement la fleur du Liban avec qui je partage ma vie, Racha, pour sa gentillesse et sa générosité sans limite. Si je me sens un homme fait à présent, c’est là son oeuvre.
Résumé de la thèse
Ce mémoire de thèse rapporte les résultats obtenus au cours de mes trois années de docto rat au Centre de Physique Théorique de l’Université d’Aix Marseille. L’objectif final de ce mémoire est la construction de théories de jauge basées sur les connexions généralisées dé finies sur les algébroïdes de Lie transitifs. Ce résumé suit le déroulement de la présentation de ma thèse.
Avant propos : la physique mathématique
La physique mathématique est la discipline de l’étude de systèmes physiques indissociables, par nature, de leurs cadres mathématiques descriptifs. Pour la plupart des domaines de la physique, tels que la mécanique du solide, la mécanique des fluides et l’optique physique, les mathématiques sont un outil de modélisations ou d’aide à la résolution d’équations. Ainsi, la mécanique du solide est l’étude des déformations subies par un matériaux sous l’action de pressions et de forces, la mécanique des fluides étudie les phénomènes macro scopiques émergeant des interactions entre particules fluides et l’optique physique étudie des propriétés de la lumière en fonction de son milieu. Dans ces exemples, les mathéma tiques jouent un rôle significatif dans l’investigation scientifique, bien que l’objet de ces investigations soient extérieurs et indépendants des mathématiques qui la modélisent. A l’inverse, la relativité générale d’Einstein et la mécanique quantique sont deux exemples qui s’accordent avec la discipline de la physique mathématique. En effet, la relativité gé nérale d’Einstein ne peut pas être étudiée sans faire référence à la géométrie riemannienne et il n’y a pas de sens à essayer de comprendre la mécanique quantique en ignorant le formalisme des vecteurs d’états dans les espaces de Hilbert. Ces deux exemples illustrent, d’une certaine façon, une indissociabilité entre la physique et les mathématiques. Parmi les disciplines de la physique mathématique, nous nous intéressons aux théories de jauge associées aux groupes de symétries. Établi dans les années 50, le modèle standard de la physique des particules repose sur deux piliers fondateurs qui sont, d’une part, l’existence de groupes de symétries agissant sur des espaces internes, et d’autre part, la construction de théories dites invariantes de jauge. Les groupes de symétries sont associés aux forces fondamentales de la Nature. En physique des particules, les groupes de symétrie U(1) , SU (2) et SU (3) sont respectivement associés aux interactions électromagnétiques, faibles et nucléaires fortes. Ces symétries sont dites “internes” au sens où les groupes qui leurs sont associés agissent en tout point de l’espace temps, sur des espaces abstraits ne possédant pas “d’extensions spatiales”. Le cadre mathématique associé à cette formulation est le cadre de la géométrie différentielle et de la théorie des fibrés. Par ailleurs, les théories de jauge s’intéressent aux quantités invariantes sous l’action de groupes de transformations, appelés les groupes de jauge. Une quantité présente dans une théorie de jauge est une observable physique, du moins potentiellement, si celle ci est invariante sous l’action du groupe de jauge de la théorie.
7 Le point de départ de la construction décrite dans ce mémoire de thèse est de conserver le principe de jauge en tant qu’ingrédient fondamental pour la construction de théorie physique et de substituer le formalisme de la théorie des fibrés par un nouveau cadre mathématique : les algébroïdes de Lie transitifs. Le résultat de cette construction est la définition d’une théorie de jauge, qui associe à la fois la géométrie différentielle usuelle et une description algébrique nouvelle. Cette théorie donne un modèle de théorie des champs de type Yang Mills Higgs, décrivant la propagation de bosons vecteurs de jauge couplés à un champ tensoriel scalaire dynamique plongé, dans un potentiel quartique.
Rappels d’éléments de la géométrie différentielle
La géométrie différentielle est utilisée pour la description de calculs différentiels sur un espace topologique. Cet espace topologique ou variété est composé d’un atlas de cartes ( i, ϕ i)i I tels que i = et ϕi : i soit un homéomorphisme d’un ouvert i vers U ∈ i∪IU M U → O U un ouvert de de R∈ m. Un atlas permet de décrire une variété topologique de dimension O m comme une collection d’espaces “plats”, euclidiens ou minkowskiens, qui se recollent les uns aux autres pour former une variété globale de courbure non nulle. Les champs de vecteurs sur la variété assignent à chaque point p de un élément M Xp du plan tangent Tp . L’ensemble des plans tangents forme le fibré tangent T et M M les champs de vecteurs sont alors vus comme des sections sur ce fibré. Les champs de vecteurs forment un espace vectoriel muni d’un crochet de Lie définie par le commutateur de deux champs de vecteurs. En tant qu’espace vectoriel, l’espace des champs de vecteurs 1 m se décompose, dans une carte locale (x ,...,x ), sur la base (∂1, ∂ 2,...,∂ m). On définit le fibré dual T dont les sections sont des covecteurs sur . Les covecteurs ∗M M α Γ( T ) sont duaux des champs de vecteurs X Γ( T ) dans le sens où α(X) ∈ ∗M ∈ M ∈ C∞( ). Dans la même carte que précédemment, les covecteurs se décomposent sur la M 1 2 m base (dx , dx ,..., dx ), où les éléments d x sont définis par la relation d x (∂ν) = δν ν avec δ le symbole de Kronecker. D’un point de vue géométrique, l’espace des q formes différentielles sur est l’espace M des sections sur le fibré dual qT . Nous privilégions une formulation plus algébrique de ∧ ∗M ces formes, qui sont alors vues comme des applications C ( ) multilinéaires antisymé ∞ M triques qui prennent pour argument r champs de vecteurs sur pour donner un élément M de C ( ). Les formes différentielles de degré r forment l’espace Ωr( ). ∞ M M Le complexe différentiel (Ω ( ), d) est une algèbre différentielle graduée dont le com • M plexe totale s’écrit sous la forme Ω ( ) = C ( ) Ω1( ) Ω2( ) . . . , et dont • M ∞ M ⊕ M ⊕ M ⊕ l’opérateur différentiel gradué d : Ω r( ) Ωr+1 ( ) augmente le degré de forme de 1 M → M en utilisant à la fois la représentation de Γ( T ) sur C ( ) et la structure d’algèbre de M ∞ M Lie de Γ( T ). Cette différentielle est définie pour tout ω Ωr( ) par la relation M ∈ M r+1 i+1 i dω(X , . . . , X r ) = ( 1) Xi ω(X ,..., , . . . , X r ) 1 +1 − 1 ∨ +1 i=1 i j + ω([ Xi, X j], X 1,..., ,..., , . . . , X r+1 ) 1 i