Auf sehr kleinen Längenskalen erlaubt die Weltflächenbeschreibung über zweidimensionale konforme Feldtheorien eine störungstheoretische Definition der String-Theorie. Viele strukturelle Eigenschaften und phänomenologische Implikationen der letzteren können mit Hilfe von D(irichlet)-Branen untersucht werden, die in der zugrunde liegenden Weltflächentheorie durch konforme Randbedingungen beschrieben werden. Etliche interessante Hintergründe für die String-Theorie erhält man über Gruppenmannigfaltigkeiten und Coset-Modelle. Neben wichtigen Beispielen wie SL(2,R), SU(2) und Gepner-Modellen, die für AdS- und Calabi-Yau-Kompaktifizierungen eine Rolle spielen, beinhalten sie außerdem weitere Beispiele wie den Nappi-Witten-Hintergrund oder den Raum T^11, die über eine asymmetrische Wirkung der Eichgruppe definiert sind und eine kosmologische Raumzeit mit Urknall- und Weltsturz-Singularitäten bzw. die Basis des Conifolds beschreiben. Die vorliegende Arbeit bietet eine umfassende, auf den exakten Methoden der konformen Feldtheorie beruhende Analyse von asymmetrischen Coset-Modellen. Wegen der heterotischen Natur der zugrundeliegenden Symmetriealgebra erlauben diese Modelle nur Randbedingungen, die einen Teil der Symmetrie brechen. Nach einer allgemeinen Erläuterung der Grundidee für die Konstruktion von symmetriebrechenden Randbedingungen richtet sich das Hauptaugenmerk auf WZNW- und asymmetrische Coset-Modelle, die das Fundament nahezu aller bekannten konformen Feldtheorien bilden. Mit Hilfe der erzielten Ergebnisse werden die Struktur sowie die Geometrie von D-Branen in den Gruppen SL(2,R) und SU(2), im Hintergrund AdS_3 x S^3, in der kosmologischen Nappi-Witten-Raumzeit und in T^pq-Räumen untersucht. Die Techniken, die in dieser Arbeit entwickelt werden, erlauben jedoch ebenso die Behandlung von Rändern und Kontaktstellen in (1+1)- oder 2-dimensionalen kritischen Systemen, die in der Festkörpertheorie oder der statistischen Physik auftreten. Insbesondere können Defektlinien beschrieben werden, die weder totale Reflexion noch völlige Transmission aufweisen. / At very small length scales, the world sheet approach in terms of two-dimensional conformal field theories provides a perturbative definition of string theory. Many structural properties and phenomenological implications of the latter can be explored using D(irichlet)-branes which may be identified with conformal boundary conditions in the underlying world sheet theory. Several interesting backgrounds in string theory arise from group manifolds and coset theories. Apart from prominent examples such as SL(2,R), SU(2) and Gepner models which play a role in AdS and Calabi-Yau compactifications, they also include further instances like the Nappi-Witten background or the space T^11 which are constructed using an asymmetric action of the gauge group and which describe a cosmological space-time with big-bang and big-crunch singularities and the base of the conifold, respectively. The present thesis provides a comprehensive analysis of asymmetric cosets based on the exact methods of boundary conformal field theory. Due to the heterotic nature of the underlying symmetry algebra, the models only allow for conformal boundary conditions which break parts of the bulk symmetry. The universal ideas for the construction of symmetry breaking boundary conditions are indicated and applied in detail to WZNW and asymmetric coset theories which provide the basic building blocks of almost all known conformal field theories. The general results are used to investigate the structure and shape of D-branes in the group manifolds SL(2,R) and SU(2), the background AdS_3 x S^3, the cosmological Nappi-Witten space-time and T^pq-spaces. The techniques developed in this thesis also allow for a treatment of boundaries and junctions in (1+1)- or 2-dimensional critical systems in condensed matter theory and statistical physics. In particular, they enable us to describe defect lines which go beyond full reflection or transmission.

In dieser Arbeit beschreibe ich verschiedene Aspekte der Kompaktifizierung der String Theorie, insbesondere auf nichttrivialen Mannigfaltigkeiten. Im ersten Teil betrachte ich K-Theorie und ihre Anwendung in der Untersuchung von D-Branen. Es handelt sich um eine verallgemeinerte Kohomologietheorie welche die möglichen Ladungen für eine gegebene Raumzeitmannigfaltigkeit klassifiziert. Eine natürliche Fragestellung ist inwiefern sich diese Beschreibung von der üblichen mit (de Rahm) Kohomologie/Homologie unterscheidet. Hierzu gebe ich eine Calabi-Yau Mannigfaltigkeit an die den Unterschied illustriert. Anstatt der Kompaktifizierung auf einer komplizierten glatten Mannigfaltigkeit kann man auch Orbifolds von einfachen Mannigfaltigkeiten studieren um interessante Kompaktifizierungen zu erhalten. Dies wird mit äquivarianter K-Theorie beschrieben. Um dies mit physikalischen vorhersagen zu vergleichen berechne ich alle KO_{Z_2}(R^{p,q}). Darueberhinaus kann man Orientifolds betrachten, diese führen auf die Definition von neuen K-Theorien. Ich beschreibe einfache Eigenschaften dieser Theorien. Im zweiten Teil präsentiere ich Kompaktifizierungen auf G_2 und Spin(7) Mannigfaltigkeiten und ihre Beschreibung als Gepner Modelle. Die SCFT und die geometrische Beschreibung unterscheiden sich, und ich gebe eine Erklärung für dieses Phänomen. / In this thesis I consider various aspects of string theory compactifications, especially for nontrivial internal manifolds. The first part is dedicated to the application of K-theory to the study of D-branes. It is the generalized cohomology theory which classifies the possible charges on a given spacetime. A natural question is whether there is any difference between K-theory and the usual description via (de Rahm) cohomology/homology. For this I present a Calabi-Yau manifold which illustrates this difference. Instead of compactifying on a complicated smooth manifold one can also consider orbifolds of simple manifolds to get interesting compactifications. These are described by equivariant K-theory. To be able to compare this with the physical prediction I calculate all KO_{Z_2}(R^{p,q}). Furthermore one can consider orientifolds, which suggests the definition of new K-theories. I investigate simple properties of these. In the second part I present compactifications on G_2 and Spin(7) manifolds and their description as Gepner models. The SCFT and the geometric description disagree. An explanation for this phenomenon is offered.

In den letzten Jahren hat die Erforschung von Branen zu vielen neuen Einsichten in String- und M-Theorie geführt. Ein Großteil dieser Forschung behandelte den Fall großen Volumens, wo geometrische Methoden zuverlässige Informationen liefern. Die Extrapolation in den Bereich, wo die endliche Ausdehnung des Strings wichtig wird (`stringy regime'), erfordert gewöhnlich neue Methoden aus der konformen Feldtheorie mit Randbedingungen. Branen auf Gruppenmannigfaltigkeiten ermöglichen einen guten Zugang zu diesem Problem. Obwohl sie nichttriviale Hintergründe beschreiben, was zu vielen interessanten Effekten führt, sind sie immer noch gut beherrschbar. Sie dienen auch als Bausteine bei den Restklassen- und Orbifoldkonstruktionen von im Wesentlichen allen bekannten konformen Modellen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Dynamik von Branen auf Gruppenmannigfaltigkeiten und Restklassenmodellen. In einem bestimmten Grenzfall wird die Dynamik von nichtkommutativen Eichtheorien regiert. Viele der Prozesse lassen sich in den Bereich extrapolieren, wo Stringeffekte eine Rolle spielen. Sie äußern sich als Renormierungsgruppenflüsse auf den zweidimensionalen Weltflächentheorien mit Rändern. Solche Flüsse sind auch von Interesse in der Festkörpertheorie, wo sie Randphänomene in eindimensionalen Systemen beschreiben. Wesentliche Daten über diese dynamischen Prozesse sind in Ladungen von D-Branen kodiert. Wir werden die Resultate, die wir über Prozesse zwischen verschiedenen Brankonfigurationen erhalten, mit der Vermutung vergleichen, dass die Ladungen Werte in getwisteten K-Gruppen annehmen. / In recent years, the study of branes has led to many new insights into string and M-theory. Much of this study was done in the large-volume regime where geometric techniques provide reliable information. The extrapolation into the stringy regime usually requires new methods from boundary conformal field theory. Branes on group manifolds give us a good handle on this issue. Although they describe non-trivial backgrounds leading to many interesting effects, they are still tractable. They also serve as building blocks in the coset and orbifold constructions of essentially all known conformal models. The present thesis investigates the dynamics of branes on group manifolds and coset models. In some limiting regime, the dynamics are governed by non-commuta\-tive gauge theories. Many of the processes can be extrapolated to the stringy regime. They manifest themselves as renormalization group flows on the two-dimensional worldsheet theories with boundaries. Such flows are of interest also in condensed matter theory where they describe boundary phenomena in one-dimensional systems. Essential data on these dynamical processes are encoded in D-brane charges. We will compare the obtained results on processes between brane configurations with the conjecture that the charges take their values in twisted K-groups.

In dieser Arbeit stellen wir verschiedene Tests der (M)atrixtheorie-Vermutung vor. Die (M)atrixtheorievermutung besagt, dass die Dynamik von M-Theorie, der Urtheorie, die alle bekannten Stringtheorien und auch elfdimensionale Supergravitation als bestimmte Grenzfaelle enthalten soll, durch ein quantenmechanisches Matrixmodell gegeben ist. Insbesondere untersuchen wir Streuprozesse sowohl aus Sicht des Matrixmodells, als auch aus Sicht der Supergravitation, und vergleichen die resultierenden S-Matrixelemente. Wir finden beeindruckende Uebereinstimmung zwischen den beiden Theorien, solange wir uns auf klassische Supergravitation beschraenken. Sobald wir auch Quanteneffekte auf der Supergravitationsseite einbeziehen, hat diese Uebereinstimmung keinen Bestand. Des weiteren untersuchen wir die Frage, ob Loesungen der klassischen Matrixmodell-Bewegungsgleichungen mit Impulsuebertrag existieren, und finden eine negative Antwort. / In this thesis, we present several tests of the M(atrix)-Model conjecture that asserts that the dynamics of M-Theory, the eleven-dimensional Ur-theory containing all known string theories and also eleven-dimensional supergravity in specific limits, is given by a quantum mechanical matrix model. In particular, scattering processes are analyzed both from the M(atrix)-Model and from the supergravity perspective and the corresponding S-matrix elements are compared. We find impressive agreement between these two theories as long as only classical supergravity is considered. If one includes also quantum effects on the supergravity side, the agreement does not persist. In addition to these calculations, the question of the existence of classical solutions to the M(atrix)-Model equations of motion with momentum transfer is addressed and answered negatively.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet ein einführendes Kapitel über Orbifold-Konstruktionen in dem neben rudimentären Grundlagen bereits speziellere Themen wie Diskrete Torsion und asymmetrische Orbifold-Gruppen behandelt werden. Als Beispiele für Orbifolde werden Kompaktifizierungen auf Tori sowie das asymmetrische T^4/Z(3)^L x Z(3)^R Orbifold behandelt. Danach wird eine allgemein gehaltene Einführung in Orientifolde gegeben, einschließlich des offenen String Sektors samt Chan-Paton Freiheitsgraden. Die darauf folgenden Kapitel 4-7 behandeln von mir durchgeführte Forschungsarbeiten. Kapitel 4 beschäftigt sich mit der Quantisierung des offenen Strings mit linearen Randbedingungen, wie sie bei Strings in elektro-magnetischen Feldern auftreten. Weiterhin wird die Quantisierung der Null- und Impuls-Moden des offenen Strings in Torus-Kompaktifizierungen durchgeführt. Außerdem wird für den Fall allgemeiner konstanter Hintergrund Neveu-Schwarz U(1)-Hintergrundfelder der Kommutator der Stringkoordinaten berechnet. Dieser stützt bisherige Resultate zur Nicht-Kommutativität von offenen Stringtheorien in Neveu-Schwarz Hintergründen. Kapitel 5 gibt, zusammen mit einigen neuen Erkenntnissen, Resultate von [1] über asymmetrische Orientifolde, insbesondere deren D-Branen Inhalt wieder. Kapitel 6 faßt die Veröffentlichung [2] zusammen, in der untersucht wurde, inwieweit sich phänomenolgisch interessante Modelle in Orientifolden von Torus-Kompaktifizierungen finden lassen. Insbesondere tragen die D9-Branen magnetische Flüsse, womit chirale Fermionen im Spektrum auftreten. Die Rechnungen werden größtenteils im gleichwertigen, T-dualen Bild ausgeführt. In diesem ist die Anzahl der chiralen Fermionen durch die topologische Schnittzahl der D-Branen gegeben. Existieren auf Torus-Kompaktifizierungen entweder nur nicht-chirale oder nicht-supersymmetrische Modelle, so lassen sich auf gewissen Orbifolden beide Eigenschaften miteinander vereinbaren. Kapitel 7 behandelt das "sigma Omega"-Orientifold auf einem T^6/Z(4) Orbifold. Als besonders interessantes Beispiel wird ein supersymmetrisches U(4) x U(2)^3_L x U(2)^3_R Modell vorgestellt, daß durch Einschalten geeigneter Hintergrundfelder in der effektiven Niederenergie-Wirkung auf ein Modell gebrochen wird, daß dem MSSM (minimalem supersymmetrischen Standard Modell) sehr ähnlich ist. Dieses Kapitel basiert auf unserer Publikation [3]. Ferner ist der Arbeit ein Anhang beigefügt, der einige der verwendeten Formeln sowie Beweise zu zwei Sätzen enthält, die im Text verwendet wurden. / This thesis contains an introductory chapter on orbifolds. Besides rudimentary basics we discuss more advanced topics like discrete torsion and asymmetric orbifold groups. As examples we investigate torus compactifications and an asymmetric T^4/Z(3)^L x Z(3)^R orbifold. The following chapter explains the foundations of orientifolds, including open strings with Chan-Paton degrees of freedom. Chapters 4-7 present own research. In chapter 4 we quantize open strings with linear boundary conditions, as they show up in electro-magnetic fields. We quantize the zero- and momentum-modes for toroidal compactifications, too. As an application we calculate the commutator of the coordinate fields in the case of general constant Neveu-Schwarz U(1)-field strengths. Thereby we confirm previous results on non-commutativity of open string theories in Neveu-Schwarz backgrounds. Chapter 5 reviews the results of a former publication [1] on asymmetric orientifolds, supplemented by some recent insights in connection with the preceeding chapter. Chapter 6 is a summary of [2]. In this publication we investigated to what extend one can build phenomenologically interesting models from toroidal orientifolds. By turning on magnetic fluxes on D9-branes we induce chiral fermions. Most calculations are performed in an (equivalent) T-dual picture. Here the number of chiral fermions is given by the topological intersection number of D-branes. In orientifolds of toroidal compactifications one obtains either non-chiral or non-supersymmetric orientifold solutions. However both properties can be reconciled in orientifolds that are obtained from specific supersymmetric orbifold compactifications. In chapter 7 we present the "sigma Omega"-Orientifold on a T^6/Z(4) orbifold. As a very attractive example we investigate a supersymmetric U(4) x U(2)^3_L x U(2)^3_R model that is broken to an MSSM-like model by switching on suitable background fields in the low energy effective action. This chapter is based on our publication [3]. The thesis is supplemented by an appendix with formulas applied in the text, as well as proofs to two theorems that were used as well.