Die physikalischen Kräfte in der Natur werden durch zwei fundamentale Theorien be- schrieben: Das Standard Modell der Elementarteilchenphysik kann die Wechselwirkun- gen zwischen Elementarteilchen, also die Physik auf mikroskopischer Skala, erklären. Das Gegenstück ist die allgemeine Relativitätstheorie, die die Physik auf makrokopischen, kosmologischen Skalen widergibt. Eine fundamentale Frage an die theoretische Physik ist es, diese beiden Theorien zu vereinigen. String Theorie ist ein Kandidat für eine solche vereinheitlichende Theorie. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte auf diesem Gebiet erzielt. Zum ersten Mal wurde es möglich, in den starken Kopplungsbereich vorzudringen. Das Mittel, das hier benutzt wird, sind die sogenannten Dualitätssymmetrien, die den starken Kopplungs- bereich einer Theorie in den schwachen Kopplungsbereich einer anderen Theorie abbilden. Man glaubt, daß letztendlich die bekannten konsistenten Stringtheorien lediglich unter- schiedliche perturbative Limites einer fundamentalen Theorie, der M- oder F-Theorie, sind. Außerdem wurde klar, daß Stringtheorien nicht nur eindimensional ausgedehnte Objekte, die Strings, enthalten, sondern auch höherdimensionale "Branen". Die Masse dieser Objekte ist bei schwacher Stringkopplung sehr groß, bei starker Kopplung geht ihre Masse hingegen gegen 0. Dualitätssymmetrien können Strings und höherdimensionale Branen in Beziehung setzen. Diese Arbeit ist einigen Anwendungen der Branen gewidmet. Im Niederenergielimes ist die Weltvolumentheorie solcher Branen durch eine Feldtheorie gegeben. Dies wird benutzt, um Eigenschaften von Feldtheorien im Stringtheorie-Kontext zu reproduzieren. In Kapitel 2 verwenden wir bestimmte Konfigurationen von sich im Raum schneidenden Branen, um Theorien mit (0; 1) Supersymmetrie in sechs Dimensionen zu studieren. Von der Feldtheorieseite her ergibt sich die Anomaliefreiheit als Konsistenzbedingung an chirale Theorien. Diese Bedingung kann in der String-Theorie als Ladungserhaltung von dort auftretenden Eichpotentialen reproduziert werden, d.h. als eine Konsistenzbedingung an die möglichen Branenkonfigurationen. Das Kapitel 3 beschäftigt sich mit Matrix-Modellen. Hierbei handelt es sich um einen Vorschlag, wie die fundamentale M-Theorie formuliert werden könnte. M-Theorie in der Lichtkegel-Eichung soll durch ein quantenmechanisches Modell erfaßt werden. Die Kompaktifizierungen von M-Theorie werden durch niederdimensionale Feldtheorien beschrieben, die wiederum als Feldtheorien auf Branen interpretiert werden können. Wir befassen uns mit der Kompaktifizierung von Matrix-Theorien auf Tori und diskutieren hierbei insbeson- dere Probleme, die bei Kompaktifizierungen auf sechs dimensionalen Tori auftreten. Hier scheint es { anders als für niederdimensionalere Tori und genau wie für höherdimensionale Tori { keine Beschreibung als niederdimensionale Feldtheorie zu geben. Das letzte Kapitel behandelt die Kompaktifizierung von M- bzw F-Theorie auf Calabi- Yau 4-Mannigfaltigkeiten. Dies führt auf den phänomenologisch relevanten Fall von N = 1 Supersymmetrie in vier Dimensionen. Es wird gezeigt, daß topologisch ver- schiedene Calabi-Yau Mannigfaltigkeiten durch Übergänge über singuläre Konfiguratio- nen verbunden werden können. Die Vakua, die durch Kompaktifizierung auf den durch die Singularität verbundenen Mannigfaltigkeiten erhalten werden, haben physikalisch un- terschiedliche Eigenschaften. So können gewisse Divisoren, die durch Ausglätten der Singularität entstehen, zur Folge haben, daß ein nicht-perturbatives Superpotential durch Branen erzeugt wird, die sich um die betreffenden Divisoren herumwickeln.

Nach jahrelanger Suche hat sich bis heute Stringtheorie als einziger Kandidat einer konsistenten Quantentheorie der Gravitation herauskristallisiert. Um aus der Stringtheorie präzise Vorhersagen für unsere Niederenergiewelt zu gewinnen, ist es notwendig, das Vakuumproblem zu lösen, das heißt einen Mechanismus zu finden, der aufzeigt, in welchem Stringvakuum wir leben und warum die Natur dieses ausgewählt hat. Die Beantwortung dieser Frage benötigt nicht-perturbative Informationen.Diese wurden erst in jüngster Zeit zugänglich. Eine besondere Rolle in dieser Entwicklung spielten die sogenannten D-branes. Sie stellen mögliche nicht-perturbative Beiträge zu Stringamplituden dar. Die Identifizierung, daß D-branes einfach Objekte sind, auf denen Strings enden können, ermöglicht sie zu handhaben und zu zeigen, daß ihre Dynamik im wesentlichen durch Eichtheorien erfaßt wird. D-branes erlaubten, zahlreiche Dualit\ätssymmetrien zu etablieren, deren Haupta ussage zu sein scheint, daß alle 5 Stringtheorien sowie 11d Supergravitation nur verschiedene perturbative Limites einer fundamentalen 11d Theorie sind, T-Theorie. In dieser Arbeit habe ich mich mit einigen Anwendungen dieser Ideen beschäftigt. Die Tatsache, daß D-branes durch Super Yang-Mills Theorien beschrieben werden, erlaubt uns einen Stringhintergrund derart zu präparieren, daß wir nahezu jede Eichtheorie als relevante Niederenergiebeschreibung erhalten können. Eine besonders verbreitete Variante dieser Idee sind die sogenannten ``Hanany Witten setups'', in denen dieser Stringhintergrund nur aus flachen branes im flachen Raum besteht. Mit Hilfe dieser Technik habe ich verschiedene Dualitätssymmetrien in Feldtheorien auf Stringdualitäten zurückgeführt. Ferner ist es möglich, mit Hilfe der branes die Existenz nicht trivialer Fixpunkt Theorien in sechs Dimensionen zu beweisen und einige ihrer Eigenschaften zu analysieren. Einige dieser Fixpunkte beschreiben Phasenübergänge zwischen verschiedenen brane Hintergründen. Unter anderem läßt es sich auf diese Weise zeigen, daß es in 4 Dimensionen Übergänge zwischen chiralen und nicht chiralen Vacua gibt. Ferner wurde gezeigt, daß alle anderen Zugänge zu dem Problem, Eichtheorien in Stringtheorie einzubetten, im wesentlichen äquivalent zum HW Ansatz sind, in dem Sinn, daß die entsprechenden Stringhintergründe dual zueinander sind. Dadurch können neue Aspekte der String T-Dualität verstanden werden, so wie z.B. T-Dualitäat für brane Segmente und gebogene branes.Außerdem erlaubt uns diese Verbindung, die Phasenübergänge, die wir im HW Bild entdeckt haben, tatsächlich als Übergänge zwischen topologisch verschiedenen Stringkompaktifizierungen zu verst ehen. / In this thesis I discussed several applications of the connection of non-perturbative string theory and SYM theory. In Chapter 1 I reviewed the physics of D-branes as one example of a non-perturbative effect in string theory. Their dynamics is dominated by gauge theory. This fact can be used to engineer certain string backgrounds which yield interacting SYM theories as their low-energy description. In Chapter 2 I then introduced one of the approaches in detail, the HW setup. I gave a summary of the identification of the classical gauge theory, showed how quantum effects manifest themselves in the brane picture and how to solve them. This way of embedding gauge theories into string theories has several interesting applications. These were the topic of Chapter 3. First I discussed dualities in field theory and showed how they arise as a natural consequence of string duality. As a second application I used branes to prove the existence of non-trivial fixed point theories in 6 dimensions and to study their properties. Some of these fixed points describe phase transitions between two different brane configurations. From a 4d point of view these 6d transitions can induce a chiral non-chiral transition. In Chapter 4 I discussed the relation of the HW setup with the other approaches of embedding gauge theory into string theory, especially the branes as probes approach. The different ways of embedding gauge theories in string theory are shown to be actually T-dual as string backgrounds. For one this allowed us to explore several new aspects of T-duality, like T-duality for bended branes and branes endin g on branes. In addition this relation can be used to show that the transitions found in the brane picture can as well be understood as transitions between topologically distinct compactifications of string theory. Some open problems and directions for further research were mentioned in Chapter 5.

In dieser Arbeit untersuchen wir Quanten-Aspekte des Green-Schwarz Superstrings in verschiedenen AdS-Hintergründen, die für die AdS/CFT Korrespondenz von Bedeutung sind, und geben einige Beispiele für perturbative Rechnungen in den entsprechenden integrablen Sigma-Modellen. Wir beginnen mit einer detaillierten Darstellung der Konstruktion der Wirkung des Typ-IIB-Superstrings auf dem AdS5 x S5-Hintergrund, die durch eine Supercoset-Sigma-Modell definiert wird, und zeigen die Grenzen dieser Herangehensweise für Hintergründe auf, die in niedrig-dimensionalen Beispielen der Eich/Gravitations-Dualität von Interesse sind. Daraufhin betrachten wir die Entwicklung um das BMN-Vakuum und die S-Matrix für die Streuung von Weltflächen-Anregungen. Um ihre Elemente effizient auszuwerten, entwickeln wir eine auf Unitarität basierende Methode für allgemeine massive, zweidimensionale Feldtheorien. Weiterhin betrachten wir den AdS-Lichtkegel eichfixierten String in AdS4 x CP3 in einer Entwicklung um das "null-cusp"-Vakuum. Die freie Energie dieses Modells hängt zusammen mit der anomalen Cusp-Dimension der Eichtheorie. Wir berechnen Korrekturen zur Zustandssumme des Superstring-Modells und leiten somit die anomale Cusp-Dimension der ABJM-Theorie bei starker Kopplung bis zur Zweischleifen-Ordnung her. Schlie\sslich berechnen wir auf Einschleifen-Ebene die Dispersionsrelation von Anregungen um das GKP-Vakuum. Unsere erfolgreiche Anwendung von auf Unitarität basierenden Cut-Techniken auf verschiedene Beispiele stützt die Vermutung, dass die S-Matrizen zweidimensionaler, integrabler Feldtheorien cut-konstruierbar sind. Weiterhin liefern unsere Ergebnisse wertvolle Daten, die die Konsistenz der String-Wirkung auf Quanten-Niveau belegen und stellen nicht-triviale stringente Tests der Quanten-Integrabilität der untersuchten Modelle dar. / In this thesis we investigate quantum aspects of the Green-Schwarz superstring in various AdS backgrounds relevant for the AdS/CFT correspondence, providing several examples of perturbative computations in the corresponding integrable sigma-models. We start by reviewing in details the construction of the type IIB superstring action in AdS5 x S5 background defined as a supercoset sigma model, pointing out the limits of this procedure for backgrounds interesting in lower-dimensional examples of the gauge/gravity duality. We then consider the expansion about the BMN vacuum and the S-matrix for the scattering of worldsheet excitations. To evaluate its elements efficiently we develop a unitarity-based method for general massive two-dimensional field theories. We also analyze the AdS light-cone gauge fixed string in AdS4 x CP3 expanded around a “null cusp” vacuum. The free energy of this model is related to the cusp anomalous dimension of the gauge theory and, indirectly, to a non-trivial effective coupling entering all integrability-based calculations in AdS4/CFT3. We calculate corrections to the superstring partition function of the model, thus deriving the cusp anomalous dimension of ABJM theory at strong coupling up to two-loop order and giving support to a recent conjecture. Finally, we calculate at one-loop the dispersion relation of excitations about the GKP vacuum. Our successful application of unitarity-cut techniques on several examples supports the conjecture that S-matrices of two-dimensional integrable field theories are cut-constructible. Furthermore, our results provide valuable data in support of the quantum consistency of the string actions and furnish non-trivial stringent tests for the quantum integrability of the analyzed models.

Diese Dissertation behandelt automorphe Formen und ihre Fourierentwicklung im Rahmen der Typ IIB Stringtheorie. Besonderes Augenmerk wird auf den zehndimensionalen Fall gelegt sowie auf die torisch kompaktifizierte Theorie in sieben Raumzeitdimensionen mit jeweiligen Cremmer-Julia Symmetrien SL_2 und SL_5. Die Analyse erfolgt vorrangig über dem Adelenring mit dem Hauptergebnis einer Herleitung allgemeiner Ausdrücke für die Fourierentwicklung von Eisensteinreihen in der minimalen und nächstgrößeren (next-to-minimal) automorphen Darstellung beliebiger SL_n. / In this thesis, we study automorphic forms and their Fourier expansions in the context of type IIB string theory and its toroidal compactifications with an emphasis on the cases D = 10 and D = 7 where the Cremmer-Julia symmetry groups are SL_2 and SL_5 respectively. We work predominantly over the adeles and present general formulae for the Fourier expansions of Eisenstein series in the minimal- and next-to-minimal automorphic representations of SL_n.

In dieser Arbeit entwickeln wir Rechenwerkzeuge zur Berechnung von Baum– und Einschleifensuperstringamplituden. Insbesondere stellen wir eine rekursive Methode zur Konstruktion kinematischer Faktoren für die Amplitude offener Superstrings auf Baumniveau bereit und präsentieren systematischeWerkzeuge, um die supersymmetrischen Auslöschungen in n-Boson- Zwei-Fermion Amplituden auf Einschleifenniveau des RNS Superstrings zu manifestieren. Für offene Superstringamplituden auf Baumniveau stellen wir vereinfachte Rekursionen für Mehrteilchensuperfelder vor, mit denen kinematische Teile von offenen Superstringamplituden auf Baumniveau konstruiert werden können. Wir diskutieren auch die Eichtransformationen, die ihre Lie-Symmetrien erzwingen, wie dies durch die Bern-Carrasco-Johansson-Dualität zwischen Farbe und Kinematik nahegelegt wird. Eine weitere Eichtransformation aufgrund von Harnad und Shnider soll die Theta-Expansion von Mehrteilchensuperfeldern vereinfachen und die Notwendigkeit umgehen, ihre Rekursionsrelationen über die niedrigsten Komponenten hinaus zu verwenden. Die Ergebnisse dieser Arbeit vereinfachen die Komponentenextraktion aus kinematischen Faktoren im reinen Spinor Superspace erheblich. Wir untersuchen dann masselose n-Punkt-Ein-Schleifen-Amplituden des offenen RNS Superstrings mit zwei externen Fermionen und bestimmen ihre Weltflächen-Integranden. Die beitragenden Korrelationsfunktionen, an denen Spin-1/2– und Spin-3/2-Operatoren aus den Fermionen-Vertices beteiligt sind, werden zu einer beliebigen Multiplizität ausgewertet. Darüber hinaus führen wir Techniken ein, um diese Korrelatoren über die Spinstrukturen derWeltflächen- Fermionen zu summieren, um alle Auslöschungen aufgrund der Supersymmetrie der Raumzeit zu manifestieren. Diese spinsummierten Korrelatoren können in Form von doppeltperiodischen Funktionen ausgedrückt werden, die aus der mathematischen Literatur über elliptische Multiple-Zeta-Werte bekannt sind. Unsere spinsummierten Korrelatoren an der Grenze des Modulraums sind auf kompakte Darstellungen von fermionischen Ein-Schleifen-Integranden für ambitwistorische Strings spezialisiert. / In this thesis, we develop computational tools to calculate tree and one-loop superstring amplitudes. In particular, we provide a recursive method to construct kinematic factors of tree level open superstring amplitudes and present systematic tools to manifest the supersymmetric cancellations in n-boson-two-fermion amplitudes at the one-loop order of the RNS superstring. For tree level open superstring amplitudes, we present simplified recursions for multiparticle superfields, which can be applied to construct kinematic parts of open superstring amplitudes at tree level. We also discuss the gauge transformations which enforce their Lie symmetries as suggested by the Bern-Carrasco-Johansson duality between color and kinematics. Another gauge transformation due to Harnad and Shnider is shown to streamline the theta-expansion of multiparticle superfields, bypassing the need to use their recursion relations beyond the lowest components. The findings of this work greatly simplify the component extraction from kinematic factors in pure spinor superspace. We then investigate massless n-point one-loop amplitudes of the open RNS superstring with two external fermions and determine their world-sheet integrands. The contributing correlation functions involving spin-1/2 and spin-3/2 operators from the fermion vertices are evaluated to any multiplicity. Moreover, we introduce techniques to sum these correlators over the spin structures of the world-sheet fermions, such as to manifest all cancellations due to spacetime supersymmetry. These spin-summed correlators can be expressed in terms of doubly-periodic functions known from the mathematics literature on elliptic multiple zeta values. On the boundary of moduli space, our spin-summed correlators specialize to compact representations of fermionic one-loop integrands for ambitwistor strings.

Der erste Teil gibt eine kurze Einführung in die Prinzipien und neueren Entwicklungen der String Theorie. Im zweiten Teil leiten wir systematisch die fünf- und vierdimensionalen Wirkungen der heterotischen M-theorie unter Einbeziehung von Fünfbranen her. Zuerst wird die Theorie von Horava und Witten an N einzelne Fünfbranen gekoppelt und auf eine dreidimensionale Calabi-Yau Mannigfaltigkeit kompaktifiziert, wobei beliebig viele Moduli der Kähler Klasse und der komplexen Struktur zugelassen werden. Das führt zu einer fünfdimensionalen geeichten N=1 Supergravitation auf dem Orbifold S^1/Z_2, gekoppelt an vierdimensionale N=1 supersymmetrische Theorien auf N Dreibranen sowie den zwei Grenzflächen, welche an den Orbifoldfixpunkten fixiert sind. Einige Eigenschaften dieser Wirkung werden betrachtet, insbesondere die quaternionische Struktur des von den Hypermultipletskalaren parametrisierten Moduliraums und die Eichung einer Isometrie dieses Raumes. Danach wird eine BPS-Vakuumlösung bestehend aus parallelen Branen konstruiert und die zugehörige vierdimensionale effektive Wirkung hergeleitet. Dazu werden das Kählerpotential aller skalaren Modulifelder sowie die kinetischen Funktionen für die Eichfelder explizit angegeben. Ausserdem werden die vierdimensionalen Superfelder durch die zugehöhrigen fünfdimensionalen Komponentenfelder ausgedrückt. Im nächsten Teil wird die vierdimensionale Wirkung der vorangegangenen Arbeit in einer vereinfachten Form angewandt, wobei nur die geometrisch notwendigen Felder betrachtet werden, und das sind die Metrik, das Dilaton und der T-modulus. Eine einparametrige Schar von vierdimensionalen zeitabhängigen Lösungen wird gefunden und in den fünfdimensionalen Zusammenhang gestellt. Die entsprechenden approximativen fünfdimensionalen Lösungen sind eine Entwicklung zu linearer Ordnung im Kopplungsparameter epsilon, welcher Loopkorrekturen zur vierdimensionalen Theorie angibt. Diese Korrekturen sind durch Anregungen gewisser Felder in der fünften Dimension gegeben und können somit zeitabhängig sein. Es zeigt sich, dass gerade jene zwei Lösungen mit zeitunabhängigen Loopkorrekturen den bekannten exakten fünfdimensionalen separierbaren Lösungen entsprechen. Am Ende wird noch disskutiert was sich durch Einbeziehung einer beweglichen Fünfbrane ändert. Im letzten Teil werden Flopübergänge in der M-theory auf dreidimensionalen Calabi-Yau Mannigfaltigkeiten studiert, inspesondere deren Einfluss auf kosmologische Modelle der fünfdimensionalen N=1 Supergravitation. Das ist eine weitere Anwendung der Wirkung aus dem zweiten Teil dieser Arbeit, nun jedoch im etwas einfacheren Fall der puren M-theorie ohne Grenzflächen oder Fünfbranen, dafür unter Berücksichtigung spezieller Membranenzustände. Insbesondere wird die Wirkung für jene Membranenzustände hergeleitet, welche einem zusätzlichen Hypermultiplet entsprechen, das beim Flopübergang masselos wird. Das Hypermultiplet hat ein Potential mit quadratischen und kubischen Termen, welche von den Kählermoduli abhängen. Die Konstruktion expliziter zeitabhängiger Lösungen zeigt, dass eine Flopübergang dynamisch realisiert werden kann solange das zusätzliche Hypermultiplet nicht mit einbezogen wird. Anregungen dieses Hypermultiplets ändern die Situation und im allgemeinen findet der Flopübergang nicht mehr vollständig statt, statt dessen wird das System in der Übergangsregion stabilisiert. Somit können solche Regionen um Flopübergange im Kähler Moduliraum als dynamisch bevorzugt betrachtet werden. Die Verallgemeinerung dieses Szenarios auf heterotische M-theorie wird kurz disskutiert. / First a short introduction to principles and some recent developments in string theory is given. In a second part the effective action for five- as well as four-dimensional heterotic M-theory in the presence of five-branes is systematically derived from Horava-Witten theory coupled to N separate M5-brane world-volume theories. The five-dimensional theory is obtained by compactification on a Calabi-Yau three-fold, where we allow for an arbitrary number of Kähler and complex structure moduli. This leads to a five-dimensional N=1 gauged supergravity theory on the orbifold S^1/Z_2, coupled to four-dimensional N=1 theories residing on the two orbifold fixed planes and N additional three-branes. We analyze some properties of this action, including the quaternionic structure of the hypermultiplet sector and its relation to the gauged isometry. Further, the multi-domain-wall vacuum solution is given, and the associated four-dimensional effective theory is derived. In particular the Kähler potential and the gauge kinetic functions are determined along with the explicit relations between four-dimensional superfields and five-dimensional component fields. Next, a truncated form of the previously obtained four-dimensional action and its relation to the five-dimensional domain-wall vacuum state are used to study cosmological rolling-radii solutions. The four-dimensional action is reduced to the minimal geometrically necessary field content including gravity, the dilaton and the T-modulus. To this action we find a one-parameter family of time-dependent solutions and relate them to their approximate five-dimensional counterparts. These are new, generally non-separating solutions corresponding to an evolving pair of domain walls. The five-dimensional solutions are computed to leading non-trivial order in the strong coupling expansion parameter which describes loop corrections to the four-dimensional theory. These loop corrections depend on certain field excitations in the fifth dimension and thus generally vary with time. We point out that the two previously discovered exact five-dimensional separable solutions are precisely the special cases for which the loop corrections are time-independent. At the end, changes induced by the presence of a five-brane are discussed. In the last part, we study flop-transitions for pure M-theory on Calabi-Yau three-folds, in particular their influence on cosmology in the context of the effective five-dimensional N=1 supergravity theory. This is a further application of the five-dimensional action obtained earlier, but in the context of pure M-theory without five-branes, and extended to include certain two-brane states. In particular, the two-brane states that correspond to an additional hypermultiplet which becomes massless at the flop-transition is included in the effective action. We find the potential for this hypermultiplet which has quadratic and quartic terms and depends on the Kähler moduli. By constructing explicit cosmological solutions, it is shown that a flop-transition can dynamically happen, as long as the hypermultiplet is set to zero. Taking into account excitations of the hypermultiplet we find that the transition is generally not completed, that is, the system gets stabilized close to the transition region. Regions of the Kähler moduli space close to flop-transitions can therefore be viewed as dynamically preferred. The generalization of the scenario to heterotic M-theory is discussed.

Die vorliegende Dissertationarbeit ist dem Problem der analytischen Beschreibung des Confinement-Mechanismus in der QCD und in anderen Eichtheorien gewidment. Als Leitprinzip der Arbeit wurde das sogenannte Wilsonsche-Confinement-Kriterium gewählt, gemäss welchem diese Erscheinung durch eine effektive Stringtheorie beschrieben werden kann. Die entstehenden Strings des Eichfeldes verbinden farbige-Objekte (Quarks, Gluonen) miteinander und hindern ihr Auseinandergehen auf makroskopische Abstände. Es werden verschiedene Verfahren der Ableitung dieser Stringstheorien aus unterschiedlichen Eichtheorien, einschliesslich der QCD, vorgestellt. Kapitel 2 enthält die Untersuchung der nichtlokalen effektiven Stringwirkung, die im Rahmen des sogenannten stochastischen Vakuum-Modells der QCD entsteht, wobei die Wechselwirkung zwischen den Elementen der String-Weltfläche durch den phänomenologischen Background-Gluon-Propagator vermittelt wird. Durch Entwicklung dieser Wirkung nach Ableitungen wurden die ersten Terme niedrigster Ordnung bestimmt. Die ersten beiden Terme dieser Entwicklung sind die Nambu-Goto- und Rigidity-Terme mit Kopplungskonstanten, die sich durch das Gluon-Kondensat und die Korrelationlänge des QCD-Vakuums ausdrücken lassen. Die Vorzeichen dieser Konstanten zeigen, dass die durch dieses Verfahren erhaltenen Strings stabil sind. Danach wurde eine mögliche Lösung des ``Crumpling'' Problems auf der Basis eines zusätzlichen topologischen Stringtermes im Instantongas-Modell des QCD-Vakuums vorgestellt. Mittels Störungstheorie im nicht-störungstheoretischen QCD-Background berechneten wir zusätzliche-Korrekturen zur ursprünglichen nicht-störungstheoretischen Stringwirkung. Diese Korrekturen führen zu neuen Formen der nichtlokalen effektiven Stringwirkung, die den störungstheoretischen Gluon-Propagator im Backgroundfeld zwischen den Elementen der Weltfläche enthalten. Durch Ableitungsentwicklung dieser Wirkung bekommen wir eine Korrektur zur Kopplungskonstante des Rigidity-Terms; die Stringsspannung des Nambu-Goto-Terms jedoch bleibt unverändert. Am Ende dieses Kapitels wurde der Hamilton-Operator des QCD-Strings mit spinlosen Quarks hergeleitet, der der effektiven Stringwirkung mit Rigidity-Term entspricht. Dieser Hamilton-Operator liefert einen Korrekturterm zur Wechselwirkung im relativistischen Quarkmodell-Operator. Im Kapitel 3 untersuchten wir das Problem der Stringdarstellung von Abelsch-projezierten Eichtheorien. Als erstes wurde die Herleitung der Stringdarstellung der erzeugenden Funktion für das einfachste Modell dieser Art, d.h. die Abelsch-projezierte SU(2)-QCD gegeben, die einem dualen Abelschen Higgs-Modell mit äusseren elektrisch geladendenen Teilchen äquivalent ist. Der Vorteil dieses Stringszuganges im Vergleich zum Zugang des stochastischen Vakuum-Modells der QCD besteht in der Berücksichtigung der Integration über String-Weltflächen, die auf Grund der Integration über den Singulärteil der Higgsfeld-Phase entsteht. Zusätzlich zur Stringdarstellung der erzeugenden Funktion wurde im London-Limes die Stringdarstellung für die erzeugenden Funktionale der Feldstärke- und Monopolstromkorrelatoren hergeleitet. Dies gab uns die Möglichkeit, die entsprechenden bilokalen Kumulanten zu finden und zu zeigen, dass die bilokalen Kumulanten der Feldstärke für grosse Abstände das gleiche Verhalten wie die entsprechenden eichinvarianten Kumulanten der QCD zeigen. Das Letztere wurde durch das stochastische Vakuum-Modell vorhergesagt und durch Gitterexperimente berechnet. Dieses Ergebnis unterstützt einerseits die Methode der Abelschen Projektion und gibt anderseits dem stochastischen Vakuum-Modell der QCD einen neuen feldtheoretischen Status. Danach erweiterten wir unsere Analyse über den Rahmen des London-Limes hinaus untersuchten den Zusammenhang von quartischen Kumulanten und bilokalen Kumulanten. Anschliessend wurde die Stringdarstellung der SU(3)-Gluodynamik hergeleitet. Dabei wurde die Stringdarstellung für ein entsprechendes duales Modell formuliert, das drei Arten des magnetischen Higgs-Feldes enthält. Infolgedessen liefert das Modell drei Strings, von denen nur zwei wirklich unabhängig sind. Alle diese Strings wechselwirken untereinander durch Austausch zweier massiver dualer Eichbosonen. Ausserdem erhielten wir die bilokalen Kumulanten des effektiven dualen Modells der SU(3)-Gluodynamik. Die entsprechenden bilokalen Kumulanten zeigen für grosse Abstände ein Verhalten wie es durch das stochastische Vakuum-Modell vorhergesagt wurde. Zum Schluss dieses Kapitels geben wir eine nützliche Darstellung für erzeugende Funktionen von Abelsch-projezierten Theorien in Form von Integralen über Monopolströme an. Im Kapitel 4 wurde ein weiteres Modell untersucht, das eine analytische Beschreibung des Confinement-Mechanismus zulässt, nämlich die 3D kompakte QED. Für den Wilson-Loop der entsprechenden Theorie mit Monopoldichten wurde die Äquivalenz zur sogenannten Confining-Stringtheorie demonstriert. Ausserdem wurde das Verhalten der bilokalen Kumulante der Feldstärke im Limes schwacher Felder untersucht. Dieses Verhalten befindet sich ebenfalls in Übereinstimmung mit den Voraussagen des stochastischen Vakuum-Modells. Erwartungsgemäss sind die Stringdarstellungen der erzeugenden Funktionen der 3D kompakten QED im Limes schwacher Felder und der dualen Abelschen Higgs-Modelle sehr ähnlich. Wir zeigten ausserdem, dass diese Entsprechung nicht zufällig ist. Die 3D kompakte QED ergibt sich nämlich im Limes verschwindender Eichbosonmasse aus dem 3D Abelschen Higgs-Modell mit äusseren Monopolen. Zum Schluss wurde ein allgemeines Verfahren der Beschreibung der Anregungen der Stringweltfläche in Abelsch-projezierten Theorien (kompakte QED und QCD) ausgearbeitet. Es ist auf der Methode der nicht-linearen Sigma-Modelle gegründet und gibt eine Möglichkeit, die in diesen Fluktuationen quadratische Effektive Wirkung zu erhalten. In der Dissertation wurden analytische nicht-störungstheoretische Verfahren ausgearbeitet, die neue Informationen über den Confinement-Mechanismus in der QCD und anderen Eichtheorien liefern und zum besseren Verständnis der Vakuumstruktur dieser Theorien beitragen können. Sie sind insbesondere relevant für die Herleitung effektiver Stringtheorien aus Eichtheorien. / The main problem addressed in the present Dissertation was an attempt of an analytical description of confinement in QCD and other gauge theories. As a guiding principle for our investigations served the so-called Wilson's picture of confinement, according to which this phenomenon can be described in terms of some effective theory of strings, joining coloured objects to each other and preventing them from moving apart to macroscopic distances. In this Dissertation, we have proceeded with a derivation of such string theories corresponding to various gauge ones, including QCD, i.e. with the solution of the problem of string representation of gauge theories. We have started our analysis with the nonlocal string effective action, arising within the so-called Stochastic Vacuum Model of QCD, where the interaction between the string world-sheet elements is mediated by the phenomenological background gluon propagator. By performing the derivative expansion of this action, we have derived the first few terms of a string Lagrangian. The first two nontrivial of them turned out to be the Nambu-Goto and rigidity terms with the coupling constants expressed completely via the gluonic condensate and correlation length of the QCD vacuum. The signs of these constants ensure the stability of strings in the so-obtained effective string theory. After that, we have investigated the problem of crumpling for the string world-sheets by derivation of the topological string term in the instanton gas model of the gluodynamics vacuum. Next, by making use of perturbation theory in the nonperturbative QCD vacuum, we have calculated perturbative corrections to the obtained string effective action. Those lead to a new form of the nonlocal string effective action with the propagator between the elements of the world-sheet being the one of a perturbative gluon in the confining background. By the derivative expansion of this action, we got a correction to the rigidity term coupling constant, whereas the string tension of the Nambu-Goto term occurs to get no corrections due to perturbative gluonic exchanges. Finally, we have derived the Hamiltonian of QCD string with spinless quarks at the ends, associated with the obtained string effective action including the rigidity term. In the particular case of vanishing orbital momentum of the system, this Hamiltonian reduces to that of the so-called relativistic quark model, albeit with some modifications due to the rigidity term, which might have some influence on the dynamics of the QCD string with quarks. All these topics have been elaborated on in Section 2, and form the essence of the string representation of QCD within the Stochastic Vacuum Model. In Section 3, we have addressed the problem of string representation of Abelian-projected theories. In this way, we have started with the string representation for the partition function of the simplest model of this kind, namely the Abelian-projected SU(2)-QCD, which is argued to be the dual Abelian Higgs Model with external electrically charged particles. The advantage of this approach to the string representation of QCD w.r.t. the one based on the Stochastic Vacuum Model is a possibility to get an integration over the string world-sheets, resulting from the integration over the singular part of the phase of the Higgs field. After the string representation of the partition function in the London limit, we have proceeded with the string representation for the generating functionals of the field strength and monopole current correlators. Those enabled us to find the corresponding bilocal cumulants and demonstrate that the large-distance asymptotic behaviour of the bilocal field strength cumulant matches the one of the corresponding gauge-invariant cumulant in QCD, predicted by the Stochastic Vacuum Model and measured in the lattice experiments. This result supports the method of Abelian projection on the one hand and gives a new field-theoretical status to the Stochastic Vacuum Model on the other hand. After that, we have extended our analysis beyond the London limit, and studied the relation of the quartic cumulant, which appears there, with the bilocal one in the London limit. Next, by making use of the Abelian projection method, we have addressed the problem of string representation of the SU(3)-gluodynamics. Namely, we have casted the related dual model, containing three types of magnetic Higgs fields, into the string form. Consequently, the latter one turned out to contain three types of strings, among which only two ones were actually independent. As a result, we have found, that both the ensemble of strings as a whole and individual strings display confining properties in a sense that all types of strings (self)interact via the exchanges of the massive dual gauge bosons. We have also derived bilocal cumulants in the effective dual model of confinement, corresponding to the SU(3)-gluodynamics, and they turned out to be also in line with the ones predicted by the Stochastic Vacuum Model. In conclusion of this topic, we have obtained another useful representation for the partition functions of the Abelian-projected theories in the form of an integral over the monopole currents. In Section 4, we have studied another model, allowing for an analytical description of confinement, which is 3D compact QED. In this way, by virtue of the integral over the monopole densities, we have derived string representation for the Wilson loop in this theory and demonstrated the correspondence of this representation to another recently found one, the so-called confining string theory. After that, we have calculated the bilocal cumulant of the field strength tensors in the weak-field limit of the model under study. It also turned out to be in line with the general concepts of the Stochastic Vacuum Model and therefore matches the corresponding results known from the lattice measurements in QCD and found analytically for the effective Abelian-projected theories in the previous Section. Besides that, string representations of the partition functions of the weak-field limit of 3D compact QED and of the dual Abelian Higgs Model turned out to be also quite similar. We have illustrated later on that this correspondence is not accidental. Namely, we have shown that 3D compact QED is nothing else, but the limiting case of 3D Abelian Higgs Model with external monopoles, corresponding to the vanishing gauge boson mass. Finally, we have elaborated on a unified method of description of the string world-sheet excitations in the Abelian-projected theories, compact QED, and QCD, based on the techniques of nonlinear sigma-models, and obtained the effective action, quadratic in the world-sheet fluctuations. In conclusion, the proposed nonperturbative techniques provide us with some new information on the mechanisms of confinement in QCD and other gauge theories and shed some light on the vacuum structure of these theories. They also show the relevance of string theory to the description of this phenomenon and yield several prescriptions for the construction of the adequate string theories from the corresponding gauge ones.

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.

Diese Doktorarbeit behandelt quantentheoretische Aspekte von Typ II Superstringtheorien in AdS5xS5- und AdS4xCP3-Hintergründen für die AdS/CFT Korrespondenz. Dabei werden perturbative Methoden und Verfahren der Gitterfeldtheorie benutzt. Die Konstruktion des Supercoset-Sigma-Modell für Strings im AdS5xS5wird skizziert, während die generelle Quantendynamik des Superstring in AdS4xCP3 mit Hilfe einer dimensionaler Reduktion der Supermembrane-Wirkung in AdS4xS7 beschrieben wird. Ein manifest kovarianter Formalismus zur semi-klassischen Quantisierung von Strings um beliebige Minimalflächen in AdS5xS5 wird präsentiert, der durch die Darstellung der Fluktuationsoperatoren in Form von intrinsischen und extrinsischen Varianten der Hintergrundgeometrie erreicht wird. Eine Verallgemeinerung der Lame-Differentialgleichung zur 4. Ordnungwird mit Hilfe der Spektralmethode exakt gelöst. Dadurch konnten in 1-Schleifennäherung die Energie des String im SU(2)-Sektor, im Grenzfall beschrieben durch ein Quantum-Landau-Lifshitz-Modell, und der bosonische Beitrag zur Energie des in AdS5 und S5 rotierenden String bestimmt werden. In ähnlicher Weise erhält man in 1-Schleifennäherung den ¼-BPS-Latitude Wilson-Loop in N=4-SYM-Theorie normiert durch den ½-BPS-Loop. Das Regularisierungsschema reproduziert die Vorhersage aus supersymmetrischer Lokalisierung bis auf einen Rest, welcher diskutiert wird. Außerdem wird die Wirkung des AdS4xCP3-String, entwickelt um den null-cusp Hintergrund, studiert und die Cusp-Anomalie in 2-Schleifennäherung berechnet. Das Ergebnis stimmt mit dem vermuteten exakten Ausdruck, der ABJM-Interpolationsfunktion, überein. Schließlich wird die AdS5xS5-Superstringtheorie in AdS-Lichtkegel-Eichung diskretisiert und mit Monte-Carlo-Algorithmen Gittersimulationen bei endlicher Kopplung durchgeführt. Dabei werden die Stringwirkung, aus der mit Hilfe von AdS/CFT die null-cusp anomale Dimension von N=4 SYM extrahiert werden kann, und die Masse einer AdS Anregung bestimmt. / This thesis discusses quantum aspects of type II superstring theories in AdS5xS5 and AdS4xCP3 backgrounds relevant for the AdS/CFT correspondence, using perturbative methods at large string tension and lattice field theory techniques inspired by a work of Roiban and McKeown. We review the construction of the supercoset sigma-model for strings in the AdS5xS5 background, whereas the general quantum dynamics of the superstring in AdS4xCP3 is described by a double dimensional reduction of the supermembrane action in AdS4xS7. We present a manifestly covariant formalism for semiclassical quantization of strings around arbitrary minimal-area surfaces in AdS5xS5, expressing the fluctuation operators in terms of intrinsic and extrinsic invariants of the background geometry. We exactly solve the spectral problem for a fourth-order generalization of the Lame'' differential equation with doubly periodic coefficients in a complex variable. This calculates the one-loop energy of the (J1,J2)-string in the SU(2) sector in the limit described by a quantum Landau-Lifshitz model and the bosonic contribution to the energy of the (S,J)-string rotating in AdS5 and S5. Similar techniques calculate the 1/4-BPS latitude Wilson loops in N=4 SYM theory at one loop, normalized to the 1/2-BPS circular loop. Our regularization scheme reproduces the next-to-leading order predicted by supersymmetric localization, up to a remainder function that we discuss upon. We also study the AdS4xCP3 string action expanded around the null cusp background and compute the cusp anomaly up to two loops. This agrees with an all-loop conjectured expression of the ABJM interpolating function. We finally discretize the AdS5xS5 superstring theory in the AdS light-cone gauge and perform lattice simulations at finite coupling with a Monte Carlo algorithm. We measure the string action, from which we extract the null cusp anomalous dimension of N=4 SYM as derived from AdS/CFT, as well as the mass of an AdS excitation.

In dieser Arbeit werden Aspekte der N = 1 Dualität zwischen dem Heterotischen String (der auf einer komplex dreidimensionalen Calabi-Yau Mannigfaltigkeit mit einem Vektorbündel kompaktifiziert wird) und der F-Theorie (die auf einer komplex vierdimensionalen Calabi-Yau Mannigfaltigkeit kompaktifiziert wird) diskutiert. Zu Beginn wird eine allgemeine Beschreibung der Stringdualitäten gegeben. Die Berech- nungen der notwendigen Calabi-Yau Mannigfaltigkeiten- und Vektorbündeldaten, welche Charakteristische Klassen und Bündelmoduli involvieren, werden im Detail durchgeführt. Die acht- bzw. sechsdimensionale Dualität zwischen dem Heterotis- chen String und der F-Theorie wird diskutiert. Im Anschluß erfolgt ein Vergleich der vierdimensionalen Spektren (dies involviert den Vergleich von N = 1 chiralen Multipletts) und ein Vergleich der Anomaliebedingungen (welche zu konsistenten vierdimensionalen Het/F-Theorie Kompaktifizierungen führen). Weiterhin werden vierdimensionale N = 1 Het/F-Theorie Beispiele konstruiert, insbesondere wird eine Klasse von elliptisch gefaserten Calabi-Yau's über del Pezzoflächen betrachtet. / We discuss aspects of N = 1 duality between the heterotic string compactified on a Calabi-Yau threefold with a vector bundle and F-theory on a Calabi-Yau fourfold. After a description of string duality intended for the non-specialist the framework and the constraints for heterotic/F-theory compactifications are presented. The computations of the necessary Calabi-Yau manifold and vector bundle data, involving characteristic classes and bundle moduli, are given in detail. The eight- and six- dimensional dualities are reviewed. The matching of the spectrum of chiral multiplets and of the number of heterotic five-branes respectively F-theory three-branes, needed for anomaly cancellation in four-dimensional vacua, is pointed out. Several examples of four-dimensional dual pairs are constructed where on both sides the geometry of the involved manifolds relies on del Pezzo surfaces.