F-theory in Eight Dimensions : an Exceptional Field Theory and Heterotic String Perspective

One of the most promising theories to unify quantum mechanics and general relativity is currently string theory. The search for a supersymmetric formulation of strings led to five consistent ten dimensional superstring theories which were later unified under the scope of M-theory. The fundamental aspect of this unification is the discovery of a web of dualities between the five superstring theories and eleven dimensional supergravity.This thesis addresses dualities in the context of F-theory in eight dimensions. F-theory is twelve dimensional and provides a non-perturbative formulation of type IIB supergravity with 7-branes. On the other hand exceptional field theory provides a U-dual formulation of type IIB supergravity and we therefore focus on the possible links between these two formulations. F-theory is also conjectured to be dual to the heterotic string in 8 dimensions. The gauge group appears radically differently in these two formulations. In F-theory it is interpreted as a particular algebraic structure of an elliptically fibered K3 surface, while on the heterotic string it is principally determined the Wilson lines. Although studied in the context of type IIB string theory, the explicit map between the moduli in F-theory and its heterotic dual are still quite unknown.In the first part of this thesis we present basic notions of string theory, compactifications, branes and dualities. In the second one, we show that R+ X E₃(₃) exceptional field theory in eight dimensions can incorporate aspects of F-theory in a specific setting, and in particular describes the monodromies of (p; q) 7-branes. Finally, in the third part we study the duality between F-theory compactified on an elliptic K3 surface and the heterotic string on a two-torus. We present how to construct elliptically fibered K3 surfaces via reflexive polytopes which can be understood in terms of Wilson lines in the dual heterotic string theory.L'une des théories les plus prometteuses qui vise à unifier la mécanique quantique et la relativité générale est actuellement la théorie des cordes. La recherche d'une formulation supersymétrique des cordes a conduit à cinq théories de supercordes cohérentes en dix dimensions qui ont ensuite été unifiées dans le cadre de la théorie M. L'aspect fondamental de cette unification est la découverte d'un réseau de dualités entre les cinq théories des supercordes et la supergravité à onze dimensions.Cette thèse aborde les dualités dans le contexte de la théorie F en huit dimensions. La théorie F est douze dimensionnelle et fournit une formulation non perturbative de la supergravité de type IIB avec 7-branes. La théorie des champs exceptionnels, quant à elle, fournit une formulation U-dual de la supergravité de type IIB. Nous nous concentrons donc sur les liens possibles entre ces deux formulations. La théorie F est également supposée être duale à la théorie des cordes hétérotique en 8 dimensions. La structure des groupes de jauge apparaît radicalement différemment dans ces deux formulations. Dans la théorie F, elle est interprétée comme un choix particulier de structure algébrique d'une surface K3 elliptique, tandis que dans le cadre de la corde hétérotique, elle est principalement déterminée par les lignes de Wilson. Bien qu'étudiée dans le contexte de la théorie des cordes de type IIB, l'identification entre les modules de la théorie F et de la théorie des cordes hétérotique n'est que peu connue.Dans la première partie de cette thèse, nous présentons les notions de base de la théorie des cordes, des compactifications, des branes et des dualités. Dans la seconde, nous montrons que la théorie des champs exceptionnels R+ X E₃(₃)en huit dimensions présente des aspects de la théorie F dans un cadre spécifique, et permet en particulier de décrire les monodromies des(p; q) 7-branes. Enfin, dans la troisième partie, nous étudions la dualité entre la compactification de la théorie F sur une surface K3 elliptique et la corde hétérotique sur un deux-tore. Nous présentons comment construire des surfaces K3 elliptiques via des polyèdres réflexifs qui peuvent être interprétés en termes de lignes de Wilson dans la théorie des cordes hétérotique duale