Um das mikroskopische Verhalten der Gravitation zu beschreiben, ist es nötig, Quantenfeldtheorie und allgemeine Relativitätstheorie in einer vereinheitlichten Sprache zu formulieren. Eine Möglichkeit dieses Problem anzugehen ist es, die Punktteilchen der Quantenfeldtheorie durch fadenförmige Strings zu ersetzen. Allerdings erfordert die mathematische Konsistenz, dass sich die String in höherdimensionalen Raum-Zeiten bewegen; dies macht es jedoch sehr schwer, physikalische Konsequenzen zu extrahieren. Eine mögliche Lösung dieses Problems ist die Verwendung von String-Dualitäten, welche die Stringtheorie mittels holographischer Beschreibungen mit Eichtheorien auf dem Rand der Raum-Zeit verbinden. Die Dualitäten sind begründete Vermutungen, die die String- und Eichtheorie bei unterschiedlichen Werten der Kopplung gleichsetzen. Nicht zuletzt deshalb ist eine direkte Überprüfung der Dualitäten schwierig durchführbar. Hier hilft jedoch die sehr bemerkenswerte Tatsache, dass eine verborgene Eigenschaft der Vermutungen Integrabilität zu sein scheint, welche eine Extrapolation zwischen starker und schwacher Kopplung ermöglicht. Desweiteren kann das gesamte Spektrum, in gewissen vereinfachenden Grenzfällen, durch einen kompakten Satz von Bethe-Gleichungen ausgedrückt werden. Die Bethe-Gleichungen, welche aus Eichtheorierechnungen hergeleitet und geraten werden, bieten ein exzellentes Hilfsmittel, die vermuteten Dualitäten zu prüfen. Durch das Vergleichen der Vorhersagen der Gleichungen und expliziten Berechnungen in der Stringtheorie erhält man starke Argumente für die Gültigkeit der Vermutung und der angenommenen Integrabilität. / In this thesis we study superstring theory on AdS$_5\, \times\,$S$^5$, AdS$_3\,\times\,$S$^3$ and $\adsfour$. A shared feature of each theory is that their corresponding symmetry algebras allows for a decomposition under a $\mathbb{Z}_4$ grading. The grading can be realized through an automorphism which allows for a convenient construction of the string Lagrangians directly in terms of graded components. We adopt a uniform light-cone gauge and expand in a near plane wave limit, or equivalently, an expansion in transverse string coordinates. With a main focus on the two critical string theories, we perform a perturbative quantization up to quartic order in the number of fields. Each string theory is, through holographic descriptions, conjectured to be dual to lower dimensional gauge theories. The conjectures imply that the conformal dimensions of single trace operators in gauge theory should be equal to the energy of string states. What is more, through the use of integrable methods, one can write down a set of Bethe equations whose solutions encode the full spectral problem. One main theme of this thesis is to match the predictions of these equations, written in a language suitable for the light-cone gauge we employ, against explicit string theory calculations. We do this for a large class of string states and the perfect agreement we find lends strong support for the validity of the conjectures.

Einer der Hauptzweige innerhalb der String-Theorie, der sich um die Konstruktion phänomenologisch relevanter Modelle bemüht, beschäftigt sich mit sich schneidenden D-Branen. Nach einer allgemeinen Einleitung in die Stringtheorie, werden sowohl Torus- als auch Z_N-Orientifolde detailliert dargestellt. Es wird auf das Bild von D9-Branen mit externen B-Feldern eingegangen, aber das Hauptaugenmerk liegt auf dem T-dualen Bild sich schneidender D6-Branen. Die Forderung nach einer Abwesenheit von R-R und NS-NS Tadpolen wird im Formalismus der konformen Feldtheorie hergeleitet. Verschiedene Aspekte der chiralen und nicht-chiralen masselosen Spektren geschlossener und offener Strings werden behandelt, wie Raumzeit-Anomalien, der generalisierte Green-Schwarz-Mechanismus und verschiedene Mechanismen zur Brechung der Eichgruppen. Anschließend werden sowohl der supersymmetrische wie auch der nicht-supersymmetrische Zugang zur Bildung niederenergetischer Modelle diskutiert. Das Problem komplexer Strukturinstabilitäten auf dem Torus wird erfolgreich in einem Z_3-Orientifold-Modell behoben. Es wird ein dem Standard-Modell ähnliches Drei-Generationen-Modell konstruiert, das neben den üblichen Eichgruppen noch eine zusätzliche globale B-L-Symmetrie besitzt. Somit sind weder der elektroschwache Higgs-Mechanismus noch die üblichen Yukawa-Kopplungen in diesem Modell realisiert. Es wird gezeigt, daß der natürliche Ursprung dieses Modells ein flipped SU(5)-GUT-Modell ist. Die Stringskala muß hierbei wenigstens von der Größenordnung der GUT-Skala angenommen werden. Anschließend werden supersymmetrische Modelle auf dem Z_4-Orbifold besprochen, einem Hintergrund, der auch exzeptionelle 3-Zyklen zuläßt. Es werden fraktionale D-Branen explizit konstruiert. Schließlich wird als Beispiel ein Pati-Salam-Modell dargestellt, welches drei Fermion-Generationen besitzt. Dieses Modell ergibt sich nach der Anwendung verschiedener Branenrekombinations-mechanismen und beinhaltet nicht-flache und nicht-faktorisierbare D-Branen. Es wird ebenfalls gezeigt, wie dieses Modell auf ein MSSM-artiges Modell heruntergebrochen werden kann, welches eine masselose Hyperladung besitzt. Im letzten Teil wird der Frage nachgegangen, ob instabile Modulusfelder des Sektors geschlossener oder offener Strings möglicherweise für die Phase der Inflation innerhalb der kosmischen Entwicklung unseres Universums verantwortlich gewesen sein können. Damit dies der Fall sein kann, müssen potentielle Inflaton-Kandidaten die Slow-Roll-Bedingung erfüllen. Dies ist in der diskutierten Modellklasse für die geschlossenen String-Felder nur für den sehr speziellen Fall möglich, daß einige Felder als eingefroren behandelt werden und zudem ein spezielles Koordinatensystem verwendet wird. Im Sektor der offenen Strings konnte auf One-loop-Niveau kein Modulusfeld die Bedingung erfüllen. / Intersecting branes have been the subject of an elaborate string model building for several years. After a general introduction into string theory, this work introduces in detail the toroidal and Z_N-orientifolds. The picture involving D9-branes with B-fluxes is shortly reviewed, but the main discussion employs the T-dual picture of intersecting D6-branes. The derivation of the R-R and NS-NS tadpole cancellation conditions in the conformal field theory is shown in great detail. Various aspects of the open and closed chiral and non-chiral massless spectrum are discussed, involving spacetime anomalies and the generalized Green-Schwarz mechanism. An introduction into possible gauge breaking mechanisms is given, too. Afterwards, both N=1 supersymmetric and non-supersymmetric approaches to low energy model building are treated. Firstly, the problem of complex structure instabilities in toroidal OmegaR-orientifolds is approached by a Z_3-orbifolded model. In particular, a stable non-supersymmetric standard-like model with three fermion generations is discussed. This model features the standard model gauge groups at the same time as having a massless hypercharge, but possessing an additional global B-L symmetry. The electroweak Higgs mechanism and the Yukawa couplings are not realized in the usual way. It is shown that this model descends naturally from a flipped SU(5) GUT model, where the string scale has to be at least of the order of the GUT scale. Secondly, supersymmetric models on the Z_4-orbifold are discussed, involving exceptional 3-cycles and the explicit construction of fractional D-branes. A three generation Pati-Salam model is constructed as a particular example, where several brane recombination mechanisms are used, yielding non-flat and non-factorizable branes. This model even can be broken down to a MSSM-like model with a massless hypercharge. Finally, the possibility if unstable closed and open string moduli could have played the role of the inflaton in the evolution of the universe is being explored. In the closed string sector, the important slow-rolling requirement can only be fulfilled for very specific cases, where some moduli are frozen and a special choice of coordinates is taken. In the open string sector, inflation does not seem to be possible at all.

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.

The paper is located on the border between physics, mathematics and philosophy (ontology). The latter is required to embed the dualistic by nature mathematics into a monistic metatheory. It is shown, that a consequent philosophical monism and an approach which starts from the origin of the universe imposes significant constraints on a physical Theory-of-Everything. This may be helpful for finding such a theory. A philosophical system that is monistic and at the same time structured clear enough to be compatible with mathematical thinking is the Hegelian dialectic logic. With the aid of this logic the necessary existence of a causal chain embedded in the general, unconditional and timeless being is proved constructively. In the causal chain our entire reality is coded. It is termed by Hegel as determinate being in contrast to being. The chain has a beginning, representing the birth of the universe (big bang) and the beginning of time. It is isomorphic to the natural numbers. The half-ring structure of the natural numbers induces a secondary causal network. Thus the ontological approach results in a special version of the theory or causal sets. The causal network is topologically homeo-morphic to an infinite dimensional Minkowski cone. Each prime number corresponds to a dimension. Hypothetical small 'bumps” of 4D spacetime (Brane) in the direction of the extra dimensions of the Minkowski manifold mean topological defects, which can be interpreted as curvature of spacetime. This means a bridge to the general theory of relativity. On the other hand, the bumps may be interpreted as objects with which one can handle similar to the strings in string theory. / Die Arbeit bewegt sich im Grenzgebiet zwischen Physik, Mathematik und Philosophie (Ontologie). Letztere wird benötigt, um die vom Wesen her dualistische Mathematik in eine monistische Metatheorie einzubetten. Es wird gezeigt, dass ein konsequenter philosophischer Monismus und ein Denken vom Ursprung des Universums her einer physikalischen Theorie-von-Allem erhebliche Randbedingungen auferlegen. Für das Auffinden einer solchen Theorie kann das hilfreich sein. Ein philosophisches System, dass monistisch ist und zugleich klar genug strukturiert um mit der mathematischen Denkweise kompatibel zu sein ist die Hegelsche dialektische Logik. Unter Zuhilfenahme dieser Logik wird die notwendige Existenz einer in das allgemeine, unbedingte und zeitlose Sein eingebetteten, aber vom Chaos dieses Seins unbeeinflussten kausalen Kette konstruktiv bewiesen. In dieser kausalen Kette ist unsere gesamte Realität codiert, von Hegel als Dasein im Gegensatz zum Sein bezeichnet. Die Kette hat einen Anfang, der den Anfang des Universums und den Anfang der Zeit darstellt. Sie ist isomorph zu den natürlichen Zahlen. Deren Halbring-Struktur induziert ein sekundäres kausales Netzwerk. Somit ist das Ergebnis der ontologischen Herangehensweise eine spezielle Version der Theorie der kausalen Mengen. Das Netzwerk ist topologisch homöomorph ist zu einem unendlich dimensionalen Minkowski-Kegel. Jeder Primzahl entspricht eine Dimension. Hypothetische kleine „Ausbeulungen“ oder „Bumps“ der 4D-Raumzeit (Brane) in Richtung der Extradimensionen der Minkowski-Mannigfaltigkeit bedeuten topologische Baufehler, die sich als Krümmung der Raumzeit interpretieren lassen und eine Brücke zur allgemeinen Relativi-tätstheorie darstellen. Auf der anderen Seite lassen sich die Ausbeulungen der Brane als Objekte deuten, mit denen man ähnlich umgehen kann wie mit den Strings der Stringtheorie.

In this thesis, compactifications of F-theory on six dimensional symmetric toroidalorbifolds are explored. These orbifold geometries have been mathematically classified and it is natural to ask what the physical implications of string theorycompactifications on those geometries are. Since compactifications of string theory to six dimensions describe a sweet spot in terms of developed methods andrich model-building possibilities, it is interesting to investigate the landscape ofthese theories opposed to the swampland of only apparently consistent quantumtheories of gravity. Additionally, superconformal field theories can exist in at mostsix dimensions. These emerge naturally in the considered F-theory constructions. The present work explores effects of compactifications on such orbifolds buildingon the work of [arXiv:1905.00116v1 [hep-th]]. It constitutes a step towards extendingthe geometric classification of these orbifolds to a classification of the physical models. Beyond [arXiv:1905.00116v1 [hep-th]], roto-translations have severe effects on thegeometry and thus the field theory and the spectrum. These effects are discussedin this thesis and include, amongst others, twisted affine folding of gauge groups, the emergence of superconformal points away from intersecting branes as well assuperconformal sectors related to the multiple fibre. / In dieser Thesis werden Kompaktifizierungen von F-Theorie auf sechs dimensionalen symmetrischen, toroidalen Orbifaltigkeiten untersucht. Da diese Orbifaltigkeiten mathematisch klassifiziert wurden, stellt sich auf natürliche Weisedie Frage nach den physikalischen Implikationen von Kompaktifizierungen vonString Theorie auf diesen. In Kompaktifizierungen von String Theorie zu sechs Dimensionen balancieren sich der Fortschritt der Methoden und die Möglichkeitenphysikalische Theorien zu modellieren optimal. Daher ist es wichtig das "Landscape" dieser Theorien zu untersuchen, im Gegensatz zu dem so genannten "Swampland" von vermeintlich konsistenten Quantentheorien der Gravitation. Darüber hinaus stellt sich heraus, dass superkonforme Feldtheorien höchstens insechs Dimensionen existieren können. Die vorliegende Arbeit erkundet die Effekte von Kompaktifizierungen auf solchen Orbifaltigkeiten aufbauend auf der Arbeit von [arXiv:1905.00116v1 [hep-th]]. Sie stellt einen wichtigen Schritt dar auf dem Weg zu einer Ausweitung der geometrischen Klassifikation dieser Orbifaltigkeiten zu einer Klassifikation der physikalischen Modelle. Über [arXiv:1905.00116v1 [hep-th]] hinaus resultieren Roto-Translationen in Effekten auf die Feldtheorie sowie deren Spektrum. Diese Effekte werden in dieser Thesis diskutiert. Beispiele reichen von getwisteten affinen Faltungen von Eichgruppen, zu dem Auftreten von superkonformen Punkten ohne sich schneidende Branen und superkonforme Sektoren in Verbindung mit dem "mehrfach Faser"-Phänomen. / <p>This thesis was conducted under the regulations of Heidelberg University under the joint supervision of Professor Luca Amendola (University of Heidelberg) and Assistant Professor Magdalena Larfors (Uppsala University) during a one-year ERASMUS-exchange.</p>

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.