Black Holes and Solitons in String Theory and M-Theory.
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Date
2025
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
This thesis explores the effects of supersymmetry and higher-curvature corrections from superstring theory on black hole and soliton physics in different dimensions. The first order α′−corrections derived from heterotic string theory, up to a field redefinition, lead to Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet theory. We construct the first-order correction of Schwarzschild black holes in arbitrary dimensions. In four dimensions, we show that the corrected backgrounds satisfy the first law of thermodynamics and allow the construction of slowly rotating black holes and accelerating black hole solutions in a perturbative approach. In five dimensions, we consider the α′-corrections to the black string background and the boosted black string. We construct the scalar perturbation of the metric field in the perturbative approach to assess the effect of α′ on the Gregory-Laflamme instability. We found that in the regime of validity of our approach, the instability window enlarges and grows with α′.
In the context of the D = 5, N = 2 gauged STU model, we construct supersymmetric solitons, establishing new asymptotically locally AdS5 solutions with nontrivial boundary conditions for the gauge fields and their uplifts to type IIB supergravity. There exists a BPS limit for a specific relation between the boundary values of the gauge fields, leading to 1/8-BPS configurations. We study the phase diagram of this sector of the theory and found that, generally, there are two solitons for a given value of the boundary values of the gauge fields. Finally, we identify the states in supergravity that are dual to certain vacua in the dual field theory in the weak coupling and large N limit, labeled by the boundary conditions on the fields. This is done by computing the Casimir energy in the field theory in the weakly coupled limit and comparing it with the energy of the supergravity solution.
The four-dimensional STU model in maximal gauged supergravity is studied for static electric and magnetic black holes with general horizon geometries. Thermodynamic stability analysis reveals unstable electric black holes for temperatures below certain value, including Reissner-Nordström. While magnetic BPS black holes demonstrate quasi stability. We find extremal non-BPS black holes, which are thermodynamically unstable.
These results deepen the understanding of the interplay between string-inspired corrections, black hole physics, and supersymmetric stability criteria in different dimensions.
Esta tesis investiga cómo la supersimetría y las correcciones de curvatura superior provenientes de la teoría de supercuerdas restringen la física de agujeros negros y solitones en varias dimensiones. Las correcciones de primer orden en α′ derivadas de la teoría heterótica, módulo una redefinición de campos, se puede escribir como Einstein-dilatón Gauss-Bonnet. Construimos la corrección lineal en α′ del agujero negro de Schwarzschild en dimension arbitraria. En cuatro dimensiones, mostramos que las configuraciones corregidas satisfacen la primera ley de la termodinámica y permiten la construcción de agujeros negros rotantes en el régimen de rotación lenta y soluciones de agujeros negros acelerados de forma perturbativa. En cinco dimensiones, consideramos las correcciones en α′ de la configuración de cuerdas negras y la cuerda negra con momentum. Construimos la perturbación escalar del campo métrico en el enfoque perturbativo para evaluar el efecto de α′ sobre la inestabilidad de Gregory-Laflamme. Encontramos que la ventana de inestabilidad se amplía y crece con α′. También en D = 5, en el contexto del modelo STU, N = 2 gauged, construimos configuraciones de solitones, estableciendo nuevas soluciones asintóticamente locales AdS5 con campos de gauge no triviales en infinito y sus embebimientos en la supergravedad tipo IIB en diez dimensiones. Existe un límite BPS para una relación específica entre los valores en el borde de los campos de gauge, lo que conduce a configuraciones 1/8-BPS. Estudiamos el diagrama de fases de este sector de la teoría y encontramos que, en general, existen dos solitones para un valor dado de los campos de gauge en el borde. Finalmente, identificamos los estados en supergravedad que son duales a ciertos vacíos en la teoría de campos dual en el régimen de acoplamiento débil y N grande, caracterizados por las condiciones de bode en los campos. Esto se realizó mediante el cálculo de la energía de Casimir en la teoría de campos en el límite débilmente acoplado y su comparación con la energía de la solución de supergravedad. Estudiamos el modelo STU en cuatro dimensiones de la supergravedad maximal en el contexto de agujeros negros estáticos eléctricos y magnéticos con geometrías de horizonte generales. El análisis de estabilidad termodinámica revela que los agujeros negros eléctricos con temperaturas por debajo de cierto valor, incluyendo Reissner Nordström,son inestables; mientras que los agujeros negros BPS magnéticos muestran ser cuasi-estables. Encontramos agujeros negros extremales no-BPS, los cuales resultan ser termodinámicamente inestables. Estos resultados profundizan en la comprensión de la intersección entre las correcciones inspiradas en la teoría de cuerdas, la física de agujeros negros y los criterios de estabilidad supersimétrica en varias dimensiones.
Esta tesis investiga cómo la supersimetría y las correcciones de curvatura superior provenientes de la teoría de supercuerdas restringen la física de agujeros negros y solitones en varias dimensiones. Las correcciones de primer orden en α′ derivadas de la teoría heterótica, módulo una redefinición de campos, se puede escribir como Einstein-dilatón Gauss-Bonnet. Construimos la corrección lineal en α′ del agujero negro de Schwarzschild en dimension arbitraria. En cuatro dimensiones, mostramos que las configuraciones corregidas satisfacen la primera ley de la termodinámica y permiten la construcción de agujeros negros rotantes en el régimen de rotación lenta y soluciones de agujeros negros acelerados de forma perturbativa. En cinco dimensiones, consideramos las correcciones en α′ de la configuración de cuerdas negras y la cuerda negra con momentum. Construimos la perturbación escalar del campo métrico en el enfoque perturbativo para evaluar el efecto de α′ sobre la inestabilidad de Gregory-Laflamme. Encontramos que la ventana de inestabilidad se amplía y crece con α′. También en D = 5, en el contexto del modelo STU, N = 2 gauged, construimos configuraciones de solitones, estableciendo nuevas soluciones asintóticamente locales AdS5 con campos de gauge no triviales en infinito y sus embebimientos en la supergravedad tipo IIB en diez dimensiones. Existe un límite BPS para una relación específica entre los valores en el borde de los campos de gauge, lo que conduce a configuraciones 1/8-BPS. Estudiamos el diagrama de fases de este sector de la teoría y encontramos que, en general, existen dos solitones para un valor dado de los campos de gauge en el borde. Finalmente, identificamos los estados en supergravedad que son duales a ciertos vacíos en la teoría de campos dual en el régimen de acoplamiento débil y N grande, caracterizados por las condiciones de bode en los campos. Esto se realizó mediante el cálculo de la energía de Casimir en la teoría de campos en el límite débilmente acoplado y su comparación con la energía de la solución de supergravedad. Estudiamos el modelo STU en cuatro dimensiones de la supergravedad maximal en el contexto de agujeros negros estáticos eléctricos y magnéticos con geometrías de horizonte generales. El análisis de estabilidad termodinámica revela que los agujeros negros eléctricos con temperaturas por debajo de cierto valor, incluyendo Reissner Nordström,son inestables; mientras que los agujeros negros BPS magnéticos muestran ser cuasi-estables. Encontramos agujeros negros extremales no-BPS, los cuales resultan ser termodinámicamente inestables. Estos resultados profundizan en la comprensión de la intersección entre las correcciones inspiradas en la teoría de cuerdas, la física de agujeros negros y los criterios de estabilidad supersimétrica en varias dimensiones.
Description
Tesis presentada para optar al grado de Doctor en Ciencias Físicas.
Keywords
Black holes (Astronomy), Solitons, Supergravity