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Gauge Fluxes in F-theory Compactifications

Lin, Ling

German Title: Eichflüsse in F-Theorie Kompaktifizierungen

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In this thesis, we study the geometry and physics of gauge fluxes in F-theory compactifications to four dimensions. Motivated by the phenomenological requirement of chiral matter in realistic model building scenarios, we develop methods for a systematic analysis of primary vertical G4-fluxes on torus-fibred Calabi-Yau fourfolds.

In particular, we extend the well-known description of fluxes on elliptic fibrations with sections to the more general set-up of genus-one fibrations with multi-sections. The latter are known to give rise to discrete abelian symmetries in F-theory. We test our proposal for constructing fluxes in such geometries on an explicit model with SU(5)xZ2 symmetry, which is connected to an ordinary elliptic fibration with SU(5)xU(1) symmetry by a conifold transition. With our methods we systematically verify anomaly cancellation and tadpole matching in both models. Along the way, we find a novel way of understanding anomaly cancellation in 4D F-theory in purely geometric terms. This observation is further strengthened by a similar analysis of an SU(3)xSU(2)xU(1)xU(1) model.

The obvious connection of this particular model with the Standard Model is then investigated in a more phenomenologically motivated survey. There, we will first provide possible matchings of the geometric spectrum with the Standard Model states, which highlights the role of the additional U(1) factor as a selection rule. In a second step, we then utilise our novel methods on flux computations to set up a search algorithm for semi-realistic chiral spectra in our Standard- Model-like fibrations over specific base manifolds B. As a demonstration, we scan over three choices P3, Bl1P3 and Bl2P3 for the base. As a result we find a consistent flux that gives the chiral Standard Model spectrum with a vector-like triplet exotic, which may be lifted by a Higgs mechanism.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit der Geometrie und Physik von Eichflüssen in F-Theorie Kompaktifizierungen nach vier Dimensionen. Um phänomenologisch realistische Modelle mit chiraler Materie zu konsturieren, entwickeln wir Methoden für eine systematische Analyse von vertikalen G4-Flüssen auf Torus-gefaserten Calabi-Yau Vierfalten.

Insbesondere erweitern wir die vertraute Beschreibung von Flüssen in elliptischen Faserungen mit Schnitten auf allgemeinere Torus-Faserungen mit Multi-Schnitten, welche bekanntermaßen zu diskreten abelschen Symmetrien in F-Theorie führen. Darauf basierend konstruieren wir Flüsse in einem expliziten Multi-Schnitt-Beispiel mit einer SU(5)xZ2 Symmetrie, welche über eine sog. Conifold-Transition in Verbindung zu einer elliptischen Faserung mit SU(5)xU(1) Symmetrie steht. Mit unseren Berechnungsmethoden verifizieren wir systematisch Tadpole-Bedingungen und die Kürzung von Anomalien in beiden Modellen. In dieser Analyse finden wir einen neuartigen, rein geometrischen Zugang zur Anomalie-Kürzung in 4D F-Theorie, die wir auf ähnliche Weise auch in der Analyse von einem Modell mit SU(3)xSU(2)xU(1)xU(1) beobachten.

Die offensichtliche Verbindung von diesem Modell zum Standardmodell der Teilchenphysik ist dann der Startpunkt für eine phänomenologische Analyse. Darin untersuchen wir zunächst, wie das geometrische Spektrum mit den Standardmodell-Teilchen identifiziert werden kann und wie die zusätzliche U(1) die Rolle einer Auswahlregel übernimmt. Im zweiten Schritt benutzen wir dann die zuvor entwickelten Methoden für Fluss-Berechnungen, um einen Such-Algorithmus aufzustellen, der semi-realistische chirale Spektren in unseren Standardmodell-ähnlichen Faserungen über konkrete Basen B identifiziert. Als eine Demonstration führen wir eine Suche für drei verschiedene Basen, P3, Bl1P3 and Bl2P3, durch. Damit finden wir unter anderem eine konsistente Fluss-Konfiguration, die das chirale Standardmodell Spektrum mit einem exotischen vektorartigen Triplet realisiert, welcher prinzipiell mit einem Higgs Mechanismus geliftet werden kann.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Weigand, Prof. Dr. Timo
Date of thesis defense: 13 July 2016
Date Deposited: 24 Aug 2016 09:56
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
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