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Axions, Wormholes and Inflation in the String Landscape

Mangat, Patrick

German Title: Axione, Wurmlöcher und Inflation in der String-Landschaft

PDF, English
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This thesis explores the string theory landscape in two distinct approaches. First, we study dark radiation predictions in Large Volume Scenarios (LVS). Specifically, we realise the visible sector by D7-branes wrapping a 4-cycle. In consequence, the tension between the predicted effective number of relativistic species and recent cosmological measurements is reduced, and further ameliorated by accepting fine-tuning. Next, we investigate whether large-field inflation is consistent with quantum gravity. We propose realisations of axion monodromy inflation and alignment inflation in string theory. Due to backreaction of moduli on the inflaton, axion monodromy inflation requires potentially severe fine-tuning, which we realise on Calabi-Yau 4-folds, whereas we find no-go results on Calabi-Yau 3-folds. The severity of the tunings is quantified by the diminution of the landscape vacua after imposing the fine-tuning conditions. Furthermore, alignment inflation is realised by a winding trajectory in the field space of two complex structure moduli. Severe fine-tuning seems avoidable and consistency with the mild Weak Gravity Conjecture possible, albeit not with its strong version. Finally, we investigate the role of gravitational instantons for axion inflation. Although Giddings-Strominger wormholes are shown to induce corrections to the axion potential, a derivation of relevant constraints on the axion field range remains challenging.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Arbeit untersucht die String-Landschaft durch zwei Methoden. Zuerst studieren wir Vorhersagen zu Dunkler Strahlung im Rahmen des "Large Volume Scenarios" (LVS). Insbesondere betrachten wir Modelle, in denen der Sektor des Standardmodells durch D7-Branes, die einen 4-Zykel umwickeln, realisiert wird. Daraus resultiert eine Verringerung der Abweichung theoretischer Vorhersagen bezüglich der effektiven Anzahl relativistischer Spezies von kosmologischen Messungen. Diese Diskrepanz kann durch Feinabstimmung weiter reduziert werden. Anschließend gehen wir der Frage nach, ob "Large-Field Inflation" mit Quantengravitation konsistent sein kann. Dazu schlagen wir Realisierungen von "Axion Monodromy Inflation" und "Alignment-Inflation" in Stringtheorie vor. Aufgrund von Rückkopplungseffekten von Modulifeldern auf das Inflaton erfordert "Axion Monodromy Inflation" potenziell starke Feinabstimmung, die wir auf Calabi-Yau 4-Falten realisieren. Auf Calabi-Yau 3-Falten ist die Möglichkeit dieser Feinabstimmungen weitgehend untersagt. Die Strenge dieser erforderlichen Bedingungen quantifizieren wir, indem die verbleibende Anzahl der String-Vakua nach Berücksichtigung der Feinabstimmungen abgeschätzt wird. Des Weiteren realisieren wir "Alignment-Inflation" auf Basis einer Trajektorie, die den Feldraum, aufgespannt durch zwei Parameter der komplexen Struktur der zugrunde liegenden Calabi-Yau 3-Falt, mehrfach umwindet. Dabei ist keine strenge Feinabstimmung erforderlich und Konsistenz mit der milden “Weak Gravity Conjecture”, nicht aber mit der starken Version derselben, möglich. Schließlich untersuchen wir die Rolle gravitativer Instantone für Axion-Inflation. Wir stellen fest, dass Giddings-Strominger Wurmlöcher zwar Korrekturen zum Axion-Potential induzieren, sich jedoch nicht ohne Weiteres relevante Einschränkungen auf den Axion-Feldraum herleiten lassen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hebecker, Prof. Dr. Arthur
Date of thesis defense: 10 May 2017
Date Deposited: 01 Jun 2017 08:39
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
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