Géométries de micro-états de trous noirs en théorie des Cordes

par Yixuan Li

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Iosif Bena.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de Physique en Ile de France , en partenariat avec Institut de Physique Théorique (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-09-2019 .


  • Résumé

    La Théorie des Cordes est la théorie candidate la plus prometteuse pour unifier toutes les forces fondamentales, et fournit donc un cadre à partir duquel on peut espérer obtenir l'ensemble des lois physiques observées. Néanmoins, la Théorie des Cordes est définie en dix dimensions, et pour obtenir des résultats comparables à l'expérience elle doit être « compactifiée » sur un espace interne six-dimensionnel, de taille bien plus petite que toute échelle accessible aux observations. Comme il existe une multitude de tels espaces, il est généralement admis qu'il en résulte un large ensemble - de l'ordre de 10^{500} - de vides quadridimensionnels. Ce fait a conduit beaucoup de chercheurs à supposer que les valeurs des constantes physiques mesurées ne peuvent pas êtres dérivées dans le cadre d'une théorie unifiée des interactions, mais sont plutôt des variables anthropiques déterminées par notre propre expérience dans ce « Multivers ». Un but de ce projet est d'établir, d'une façon non-univoque, si un grand nombre de solutions de Théorie des Cordes, a priori phénoménologiquement pertinentes, doivent être éliminées, soit parce qu'elles sont instables, soir parce qu'elles sont exclues par le collisionneur LHC. Nous envisageons d'étudier ceci via une analyse détaillée des antibranes qui donnent le seul moyen contrôlable d'obtenir des univers avec une constante cosmologique positive (espaces de de Sitter). La Théorie des Cordes est aussi une théorie quantique de la gravitation. Elle a fourni plusieurs cadres pour comprendre les trous noirs et étudier des problèmes difficiles comme le paradoxe de l'information de Hawking, qui met en conflit la Mécanique Quantique et la Relativité Générale. Les paradigme les plus étudiés aujourd'hui pour répondre à ce paradoxe admettent que l'état de gravité quantique qui décrit un trou noir n'est pas correctement décrit par la théorie de la relativité générale à l'échelle de l'horizon du trou noir, même lorsque la courbure est très faible. Les travaux passés du directeur de thèse et ses collaborateurs ont montré que la Théorie des Cordes définit un mécanisme pour générer des structures qui sont stables à l'échelle de l'horizon. Elles font intervenir de façon cruciale les flux et les dimensions supplémentaires présents en théorie des cordes. Cependant, la plupart des solutions qui donnent une structure à l'échelle de l'horizon ont été construites pour des trous noirs supersymétriques, dont la physique est différente des trous noirs qui existent dans notre univers. L'autre but de but de ce projet est de construire explicitement les solutions de micro-états sans horizon qui diffèrent des solutions classiques de trous noirs non-supersymétriques à l'échelle de l'horizon. Ceci pourrait résoudre le paradoxe de l'information de Hawking et pourrait révolutionner notre compréhension de la gravité quantique en établissant que l'horizon des trous noirs discuté dans les livres de relativité générale émerge effectivement de l'approximation thermodynamique d'une superposition quantique d'un gigantesque nombre de configurations sans horizon. Ces deux domaines de recherche, même s'ils appartiennent à des sujets disjoints de la Théorie des Cordes et ont des motivations différentes, font en fait tous deux intervenir la même physique microscopique. Le but de cette thèse est de construire de grandes familles de solutions de supergravité avec flux, afin de décrire aussi bien le « paysage » des compactifications en théorie des cordes, que les solutions globalement hyperboliques décrivant semi-classiquement les micro-états de trous noirs. L'ingrédient principal dans ces constructions est le même : ajouter aux solutions supersymétriques des branes ou des flux avec des charges opposées pour briser la supersymétrie. Ainsi, tout progrès réalisé aura des implications importantes dans les deux sujets de recherche.

  • Titre traduit

    Black Hole Microstates Geometries in String Theory


  • Résumé

    String Theory is the most promising candidate theory to unify all fundamental forces, and therefore provides a framework from which one can hope to obtain all the physical laws observed. Nevertheless, String Theory is defined in ten dimensions, and to achieve results comparable to experience it must be "compactified" on a six-dimensional internal space which is much smaller than any accessible scale to observations. As there is a multitude of such spaces, it is generally accepted that this results in a broad - of the order of 10 ^ {500} - four-dimensional vacua. This fact has led many researchers to assume that the values ​​of physical constants measured cannot be derived as part of a unified theory of interactions, but are rather anthropic variables determined by our own experience in this "multiverse". One goal of this project is to establish, in a non-unambiguous way, whether a large number of String Theory solutions, a priori phenomenologically valid, should be eliminated, either because they are unstable, or because they are excluded by the LHC collider. We plan to study this through a detailed analysis of antibranes that give the only controllable way to obtain universes with a positive cosmological constant (de Sitter spaces). String Theory is also a quantum theory of gravity. It provided several frameworks to understand black holes and study difficult problems like Hawking's information paradox, which brings into conflict Quantum Mechanics and General Relativity. The most studied paradigms today to answer this paradox admit that the quantum state of gravity that describes a black hole is not correctly described by the theory of general relativity at the horizon scale of the black hole, even when the curvature is very small. The past work of the director of this PhD and his collaborators has shown that String Theory defines a mechanism for generating structures that are stable at the horizon scale. They crucially involve fluxes and the additionnal dimensions in string theory. However, most of the solutions that give rise to a structure at the horizon scale were built for supersymmetric black holes, whose physics is quite different from the black holes that exist in our universe. The other goal goal of this project is to explicitly build the micro-state solutions without horizon that differ from conventional non-supersymmetric black hole solutions at the horizon scale. This could solve the paradox of Hawking's information and could revolutionize our understanding of quantum gravity by establishing that the horizon of black holes discussed in the books of general relativity actually emerges from the thermodynamic approximation of a quantum superposition of a gigantic number of configurations without horizon. These two areas of research, though belonging to disjoint subjects of String Theory and have different motivations, both of them involve the same microscopic physics. The purpose of this PhD is to build large families of supergravity solutions with fluxes, to describe both the landscape of compactifications in string theory, and globally hyperbolic solutions describing semiclassically black holes microstates. The main ingredient in these constructions is the same: to add to supersymmetric solutions some branes or some fluxes with opposite charges to break supersymmetry. Thus, any progress will have important implications in both research topics.