Edoardo Alviani « À travers les seuils et les échelles avec les méthodes on-shell et les théories effectives des champs »

vendredi 4 sept. 2026, 10:00 → 12:00 Europe/Paris

100/-1-A900 - Auditorium Joliot Curie (IJCLab)

"À travers les seuils et les échelles avec les méthodes on-shell et les théories effectives des champs"

Cette thèse applique les méthodes on-shell aux théories effectives des champs sur plusieurs échelles. Elle part de la matrice S, où les amplitudes sont contraintes par l’invariance de Poincaré, l’unitarité et la localité. Avec les variables de spinor-hélicité pour particules massives et sans masse, les amplitudes de diffusion se construisent à partir de données on-shell, sans redondances de jauge. La factorisation à l’ordre des arbres et l’unitarité généralisée sont les principaux outils employés pour reconstruire les amplitudes et extraire l’information de basse énergie de la dynamique ultraviolette.

 

La première application porte sur les anomalies de jauge. Dans les théories de jauge chirales, les anomalies obstruent les identités de Ward requises par la symétrie de jauge pour une théorie quantique cohérente. La thèse reformule cette obstruction en termes on-shell : la symétrie de jauge étant évitée d’emblée, la notion d’anomalie doit être repensée. Elle montre que les théories de jauge anormales ne possèdent pas les propriétés de factorisation collinéaire attendues d’amplitudes unitaires. La gravité sert de sonde de cette défaillance et donne une perspective complémentaire, indépendante du régulateur, sur la nécessité d’annuler les anomalies.

 

La deuxième partie étudie le matching dans les théories effectives des photons, gravitons et de la gravité scalaire-tenseur. Des amplitudes de Compton générales pour particules massives de spin arbitraire sont construites avec les variables de spinor-hélicité massives, en incluant les interactions multipolaires électromagnétiques et gravitationnelles. Elles permettent un matching à une boucle par unitarité, qui détermine les coefficients de Wilson dans les théories effectives d’Euler-Heisenberg et de gravité. Ces coefficients sont comparés aux bornes de positivité afin d’identifier les régions de basse énergie compatibles avec des complétions ultraviolettes unitaires, analytiques et invariantes de Lorentz. Comme pour les couplages minimaux, les coefficients de Wilson n’occupent que des régions restreintes de l’espace autorisé par la positivité. La même méthode est appliquée à la gravité scalaire de Gauss-Bonnet et à la gravité dynamique de Chern-Simons, où les interactions scalaire-graviton de basse énergie sont matchées à des complétions ultraviolettes avec particules massives avec spin. Dans les classes étudiées ici, les théories scalaires de Gauss-Bonnet pures apparaissent difficiles à réaliser.

 

Motivée par ce résultat, la thèse examine ensuite les complétions ultraviolettes au niveau des arbres de la gravité scalaire de Gauss-Bonnet. Comme en gravité à dérivées supérieures, la diffusion éikonale et les délais temporels testent la possibilité d’une propagation causale à haute énergie. L’analyse montre que les interactions scalaires de Gauss-Bonnet et dynamiques de Chern-Simons peuvent produire des délais temporels négatifs, signalant une violation de causalité dans la théorie de basse énergie. Elle étudie alors si une tour d’états de haut spin reggeisés, motivée par les complétions ultraviolettes de type corde, peut restaurer la causalité.

 

Enfin, la thèse construit un formalisme on-shell pour la désintégration bêta nucléaire. Une description Lorentz-invariante des amplitudes est développée pour les transitions permises mixtes de Fermi-Gamow-Teller entre noyaux de spin arbitraire. Les interactions électromagnétiques d’état final sont calculées comme corrections coulombiennes à une boucle par coupures d’unitarité. Ces corrections servent à étudier les coefficients de corrélation angulaire, en particulier les observables T-impaires comme le paramètre D, pertinentes pour les recherches de violation de CP au-delà du Modèle standard.

 

"Across Thresholds and Scales with On-Shell Methods and Effective Field Theories "

This thesis applies on-shell methods to effective field theories across several physical scales. The starting point is the S-matrix formulation of quantum field theory, in which amplitudes are constrained directly by Poincaré invariance, unitarity and locality. Using spinor-helicity variables for massless and massive particles, scattering amplitudes can be built from on-shell data, without ever introducing gauge redundancies. Tree-level factorization and generalized unitarity provide the main tools used throughout the thesis to reconstruct amplitudes and extract low-energy information from ultraviolet dynamics.

 

The first application concerns gauge anomalies. In chiral gauge theories, anomalies obstruct the Ward identities of gauge symmetry required for a consistent quantum theory. The thesis reformulates this obstruction in on-shell terms, where gauge symmetry is bypassed from the start and the concept of gauge anomaly must be reformulated, showing how anomalous gauge theories fail to satisfy the collinear factorization properties expected of unitary amplitudes. Gravity is used as a probe of this breakdown, providing a complementary and regulator-independent perspective on why anomaly cancellation is required for consistency.

 

The second part studies matching in effective field theories of photons, gravitons and scalar-tensor gravity. General Compton amplitudes for massive particles of arbitrary spin are constructed using massive spinor-helicity variables, including electromagnetic and gravitational multipole interactions. From these amplitudes, one-loop matching is performed by unitarity to determine Wilson coefficients in Euler-Heisenberg and gravitational effective theories. The resulting coefficients are compared with positivity bounds, clarifying which regions of low-energy parameter space can arise from unitary, analytic and Lorentz-invariant ultraviolet completions. Much as in the case of minimal couplings, Wilson coefficients are found to occupy restricted regions of the positivity-allowed space. The same strategy is applied to scalar Gauss-Bonnet and dynamical Chern-Simons gravity, where low-energy scalar-graviton interactions are matched to ultraviolet completions with massive spinning particles. Within the classes of completions considered here, pure scalar Gauss-Bonnet theories are found to be difficult to realize.

 

Motivated by this observation, the thesis then investigates tree-level ultraviolet completions of scalar Gauss-Bonnet gravity. Inspired by the case of higher-derivative gravity, eikonal scattering and time delays are used to test whether the effective theory admits causal high-energy propagation. The analysis shows that scalar Gauss-Bonnet and dynamical Chern-Simons interactions can lead to negative time delays, signaling a violation of causality within the low-energy theory. It then examines whether adding a tower of Reggeized higher-spin states, motivated by string-theoretic ultraviolet completions, can restore causal behavior.

 

Finally, the thesis builds an on-shell formalism adapted to nuclear beta decay. A Lorentz-invariant amplitude description is developed for allowed mixed Fermi-Gamow-Teller transitions involving nuclei of arbitrary spin. Electromagnetic final-state interactions are computed as one-loop Coulomb corrections using unitarity cuts. These corrections are then used to study angular correlation coefficients, in particular T-odd observables such as the D parameter, which are relevant for searches for CP violation beyond the Standard Model.

 

Membres du jury :

-Emilian Dudas, Président, Directeur de recherche, CPHT, École Polytechnique (CNRS)

-Christophe Grojean, Rapporteur & Examinateur, Professeur, DESY / Humboldt-Universität zu Berlin

-Manuel Pérez-Victoria, Rapporteur & Examinateur Professeur, Universidad de Granada

-Quentin Bonnefoy, Examinateur, Maître de conférences, IPHC, Université de Strasbourg (CNRS)

-Stefano De Angelis, Examinateur, Chargé de recherche, IPhT, Université Paris-Saclay (CNRS)

-Dimitrios Kosmopoulos, Examinateur, Docteur, CERN

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