On the quantum structure of spacetime and its relation to the quantum theory of fields : k-Poincaré invariant field theories and other examples

par Timothé Poulain

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean Christophe Wallet.

Soutenue le 28-09-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de physique théorique (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

  • Titre traduit

    De la structure quantique de l'espace-temps et de sa relation à la théorie quantique des champs


  • Résumé

    De nombreuses approches à la gravité quantique suggèrent que la description usuelle de l’espace-temps ne serait pas adaptée à la description des phénomènes physiques impliquant à la fois des processus gravitationnels et quantiques. Une meilleure description pourrait consister à munir l’espace-temps d’une structure non-commutative en remplaçant les coordonnées locales sur la variété par des opérateurs ne commutant pas deux-à-deux. Il s’ensuit que le comportement des théories de champs construites sur de tels espaces diffère en général de celui des théories de champs ordinaires. L’étude de ces possibles nouvelles propriétés est l’objet de la théorie non-commutative des champs (TNCC) dont nous étudions certains des aspects.Dans le présent mémoire, nous considérons deux familles d’espaces quantiques dont l’algèbres de coordonnées admet une structure d’algèbre de Lie. La première famille est caractérisée par l’algèbre su(2) et apparait dans le cadre de modèle de gravité quantique en 3 dimensions, ainsi que dans certains modèles de « brane » et de « group field theory ». La seconde famille d’espaces quantiques est connue sous le nom de kappa-Minkowski. L’intérêt de cet espace réside dans le fait qu’il est défini comme l’espace homogène associé à l’algèbre de Hopf de kappa-Poincaré. Cette dernière définit une déformation, à l’échelle de Planck, de l’algèbre de Poincaré et s’avère être étroitement liée à certains modèles de gravité quantique.Afin d’étudier les TNCC, il est commode de représenter l’espace quantique comme une algèbre non-commutative de fonctions munie d’un produit déformé appelé « star-product ». Une façon canonique de construire un tel produit consiste à se servir d’outils d’analyse harmonique et à adapter le schéma de quantification de Weyl (originellement introduit dans le cadre de la mécanique quantique) à l’algèbre considérée. Les expressions de star-product associé aux espaces susmentionnés sont dérivées de manière explicite. Nous montrons en particulier que des familles de star-product inéquivalents peuvent être classifiées par des considérations cohomologiques. Nous étudions enfin les propriétés quantiques de différents modèles de TNCC scalaire quartique construits à l’aide de ces star-product. Dans le cas où l’espace quantique est caractérisé par l’algèbre su(2), nous trouvons que la fonction 2-point est fini à l’ordre une boucle, le paramètre de déformation jouant le rôle d’une coupure ultraviolette et infrarouge. Dans le cas de kappa-Minkowski, nous insistons sur l’invariance sous kappa-Poincaré de l’action fonctionnelle et montrons que certains modèles de TNCC scalaire quartique divergent moins que dans le cas commutatif. Par ailleurs, la fonction 4-point est trouvée finie à l’ordre une boucle. Nos résultats, ainsi que leurs conséquences, sont finalement discutés.


  • Résumé

    As many theoretical studies point out, the classical description of spacetime, as a continuum, might be no longer adequate to reconcile gravity with quantum mechanics at very high energy (the relevant energy scale being often regarded as the Planck scale). Instead, a more appropriate description could be provided by the data of a noncommutative algebra of coordinate operators replacing the usual commutative local coordinates on smooth manifold. Once the noncommutative nature of spacetime is assumed, it is to expect that the (classical and quantum) properties of field theories on noncommutative background differ from the ones of field theories on classical background. This is the aim of Non-Commutative Field Theory (NCFT) to explore and study these new properties.In the present dissertation, we consider two families of quantum spacetimes of Lie algebra type noncommutativity. The first family is characterised by su(2) noncommutativity and appears in the description of some models of quantum gravity in 3-dimensions. The other family of quantum spacetimes is known in the physics literature as the 4-d kappa-Minkowski space. The importance of this quantum spacetime lies into the fact that its symmetries are provided by the (quantum) kappa-Poincaré algebra (a deformation of the classical Poincaré algebra) together with the fact that the deformation parameter 'kappa', which is of mass dimension, provides a natural energy scale at which the quantum gravity effects may be relevant (and is often regarded as being related to the Planck scale). For these reasons, the kappa-Minkowski space appears as a good candidate for a spacetime to be involved in the description of Doubly Special Relativity and Relative Locality models.To study NCFT it is often convenient to introduce a star product characterising the (noncommutative) C*-algebra of fields modelling the quantum spacetime under consideration. We emphasise that a canonical star product can be obtained by using the group algebraic structures underlying the construction of such Lie algebra type quantum spaces, namely by making use of harmonic analysis on the corresponding Lie group together with the Weyl quantisation scheme. The explicit derivation of such star product for kappa-Minkowski is given. In addition, we show that su(2) Lie algebras of coordinate operators related to quantum spaces with su(2) noncommutativity can be conveniently represented by SO(3)-equivariant poly-differential involutive representations and show that the quantized plane waves obtained from the quantization map action on the usual exponential functions are determined by polar decomposition of operators combined with constraint stemming from the Wigner theorem for SU(2). We finally indicate a convenient way to extend this construction to other semi-simple but non simply connected Lie groups by making use of results from group cohomology with value in an abelian group that would replace the constraints stemming from the simple Wigner theorem.Then, we investigate the quantum properties of various models of interacting scalar field theory on noncommutative background making use of the aforementioned star product formalism to construct physically reasonable expressions for the action functional. Considering quantum spacetime with su(2) noncommutativity, we find that the one-loop 2-point function for complex scalar field theories with quartic interactions is finite, the deformation parameter playing the role of a natural UV cut-off. Special attention is paid to the derivation of the one-loop corrections to both the 2-point and 4-point functions for various models of kappa-Poincaré invariant scalar field theory with quartic interactions. In that case, we show that for some models the 2-point function divergences linearly thus slightly milder than their commutative counterpart, while the one-loop 4-point function is shown to be finite. The results we obtained together with their consequences are finally discussed.


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