German Title: Das Universum aus einer stringtheoretischen und kosmologischen Perspektive.

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Abstract

One major challenge of modern-day theoretical physics concerns the extension of our standard models for particle physics and cosmology. A motivation therefor arises from several problems and tensions that these models face and which suggest their modification. In this thesis we utilise distinct approaches to tackle some of these issues from different perspectives. In a classical field-theoretic approach, we first consider an extension to the \textLambda CDM model called coupled dark energy. Characteristic for this scalar-tensor theory, which has been shown to possess the ability to alleviate the (in-)famous Hubble tension, is an intrinsic coupling within the dark sector of the universe. We will demonstrate that under certain conditions this model can give rise to a novel transient regime of weak gravity. This may help to solve or at least alleviate the $\sigma_8$ tension of the \textLambda CDM model. We then shift to the paradigm of string theory, which presumably provides the required ultraviolet completion of gravity including the other fundamental forces, and assess its consequences on two extensions of standard-model physics. The first is constituted by the postulation of a new particle, the QCD axion, which arguably represents the most prominent way to solve the strong CP problem. In string theory, there are many candidates for this new particle and we investigate phenomenological consequences of such a stringy realisation of the axion. In particular, we find a novel way to seemingly solve the notorious issue of too much dark radiation, which is a generic prediction of these constructions, via a fast decay channel of the internal volume into standard-model Higgses. Even though we ascertain that eventually the dark radiation problem presumably re-appears due to the altered cosmological setting, we are confident that our results will prove to be helpful for future constructions. The second extension to standard-model physics we consider is a cosmological one, namely quintessence. With regard to the recently postulated de Sitter-swampland conjecture, we analyse the realisability of such a dynamical form of dark energy in a stringy context. Taking into account several phenomenological requirements, we identify two major challenges that need to be overcome: a so-called light-volume problem implying a very light internal-volume modulus, that would give rise to inadmissible fifth forces, and a novel F-term problem, which emerges from the fact that the required supersymmetry breaking scale raises the resulting scalar potential and hence the effective vacuum energy to a value that is parametrically above the observed one.

Translation of abstract (German)

Eine große Herausforderung der modernen theoretischen Physik besteht aus der Erweiterung der Standardmodelle der Teilchenphysik und Kosmologie. Dies ist motiviert durch einige Probleme und Spannungen, welchen diese Modelle ausgesetzt sind und die eine Modifikation Letzterer erfordern. In dieser Dissertation betrachten wir unterschiedliche Ansätze, um einige der obigen Herausforderungen aus verschiedenen Blickpunkten anzugehen. In einem klassischen, feldtheoretischen Ansatz beschäftigen wir uns zunächst mit einer Erweiterung des \textLambda CDM-Modells namens gekoppelte, dunkle Energie. Bezeichnend für diese Skalar-Tensor-Theorie, für welche gezeigt wurde, dass sie die berüchtigte Hubble-Spannung abmildern kann, ist eine intrinsische Kopplung innerhalb des dunklen Sektors des Universums. Wir werden demonstrieren, dass dieses Modell unter gewissen Voraussetzungen zu einem neuartigen, vorübergehenenden Bereich schwacher Gravitation führen kann. Dies könnte dabei helfen, die $\sigma_8$-Spannung des \textLambda CDM-Modells zu lösen oder zumindest abzuschwächen. Anschließend wechseln wir unsere Anschauung hin zur Stringtheorie, von welcher vermutet wird, dass sie die benötigte UV-Vervollständigung der Gravitation inklusive der anderen Grundkräfte bereitstellt, und untersuchen ihre Folgen für zwei Erweiterungen der Standardmodellphysik. Erstere besteht aus der Vorhersage eines neuen Teilchens, des QCD-Axions, welches wohl die bekannteste Möglichkeit das starke CP-Problem zu lösen darstellt. In der Stringtheorie gibt es viele Kandidaten für dieses neue Teilchen und wir untersuchen die phänomenologischen Folgen einer solchen, stringtheoretischen Umsetzung des Axions. Insbesondere finden wir eine neuartige Möglichkeit das berüchtigte Problem von zu viel dunkler Strahlung, welches eine allgemeine Vorhersage solcher Konstruktionen ist, mithilfe eines schnellen Zerfalls des inneren Volumens in Standardmodell-Higgse scheinbar zu lösen. Obwohl wir herausfinden, dass das Dunkle-Strahlungsproblem aufgrund des veränderten kosmologischen Umfelds letztlich vermutlich wieder auftaucht, sind wir zuversichtlich, dass unsere Ergebnisse sich als hilfreich für zukünftige Konstruktionen herausstellen werden. Die zweite Erweiterung der Standardmodellphysik, die wir betrachten, ist eine kosmologische, nämlich Quintessenz. Im Hinblick auf die kürzlich aufgestellte de Sitter-Sumpfland-Vermutung, erforschen wir die Realisierbarkeit einer solchen dynamischen Form der dunklen Energie in einem stringtheoretischen Kontext. Unter Berücksichtigung einiger phänomenologischer Bedingungen identifizieren wir zwei große Herausforderungen, die überwunden werden müssen: Ein sogenanntes Leichtes-Volumen-Problem, welches einen leichten Volumenmodulus vorhersagt, der zu unerlaubten fünften Kräften führen könnte, und ein neuartiges F-Term-Problem, welches daher auftritt, dass die benötigte SUSY-Brechungsskala das resultierende Skalarpotenzial und damit die effektive Vakuumsenergie auf einen Wert erhöht, welcher parametrisch über dem beobachteten liegt.