On accelerated expansion in string theory

Abstract

In the first part of this thesis we investigate the viability of a class of models for de Sitter (dS) vacua in string theory, due to Kachru, Kallosh, Linde and Trivedi (KKLT). We start by explaining why the success or failure of such models is sensitive to a large number of Planck suppressed operators, and collect circumstantial evidence that this UV sensitivity cannot be evaded with delicately engineered models such as the Kallosh-Linde (KL) racetrack due to a generic conflict with the weak gravity conjecture (WGC) for axions. We take this as motivation to study the KKLT mechanism from a ten-dimensional point of view. Building on earlier work we show that the form of the four-dimensional supergravity model as proposed by KKLT is remarkably consistent with the ten-dimensional perspective with respect to supersymmetry breaking as well as consistency requirements such as tadpole cancellation conditions. Nevertheless we point out a generic loss of parametric control over the ten-dimensional geometry in the interesting regime of 4d parameter space where an uplift to dS is believed to occur.

In the second part we argue for the existence of a new type of ultralight axion in the type IIB flux landscape of string theory. This axion can be thought of as the integral of the Ramond-Ramond (RR) two form over a certain two-sphere which is trivial in homology, and it arises when fluxes stabilize a Calabi-Yau (CY) threefold near a conifold transition locus in complex structure moduli space. The axion receives a non-trivial but strongly suppressed potential because its field excursion weakly twists two or more Klebanov-Strassler (KS) throats against each other. This can be understood as a purely geometric effect in 10d, but also as misalignment of gaugino condensates in different field theory sectors that are dual descriptions of the ten-dimensional throat system. The scalar potential turns out to be periodic while its periodicity can be enhanced with respect to the natural axion periodicity by a finite monodromy factor allowing its decay constant to become parametrically super Planckian in many cases. While our model does not obey the strong form of the weak gravity conjecture we identify an alternative bound that enforces the generic presence of dominant sub-Planckian harmonics, thus preventing us from building models of natural inflation using this construction.

Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Realisierbarkeit einer Klasse von Modellen für de Sitter (dS) Vakua in der Stringtheorie, vorgeschlagen von Kachru, Kallosh, Linde und Trivedi (KKLT). Wir beginnen damit, zu erklären, warum der Erfolg oder Misserfolg solcher Modelle von einer großen Anzahl von Planck-unterdrückten Operatoren abhängt, und wir finden Indizien dafür, dass diese UV-Empfindlichkeit nicht mit technisch ausgereifteren Modellen wie dem Kallosh-Linde (KL) "racetrack" Szenario beseitigt werden kann, aufgrund eines generischen Konflikts mit der "Vermutung über die Gravitation als schwächste Kraft" (WGC). Wir betrachten dies als Motivation, den KKLT-Mechanismus aus zehndimensionaler Sicht zu untersuchen. Aufbauend auf früheren Arbeiten zeigen wir, dass die von KKLT vorgeschlagene Form des vierdimensionalen Supergravitationsmodells in bemerkenswerter Weise mit der zehndimensionalen Perspektive übereinstimmt, in Bezug auf das Brechen der Supersymmetrie, sowie den Anforderungen an Widerspruchsfreiheit wie "tadpole-cancellation"-Bedingungen. Trotzdem weisen wir auf einen generischen Verlust der parametrischen Kontrolle über die zehndimensionale Geometrie in dem interessanten Bereich des 4d-Parameterraums hin, wo angenommen wird, dass ein Anstieg nach dS auftritt.

Im zweiten Teil argumentieren wir für die Existenz eines neuen Typs ultraleichter Axionen in der Typ IIB Flusslandschaft der Stringtheorie. Man kann sich dieses Axion als das Integral der Ramond-Ramond (RR) Zwei-Form über eine bestimmte, in der Homologie triviale Zwei-Sphäre vorstellen, und es entsteht, wenn Flüsse eine Calabi-Yau (CY) Mannigfaltigkeit in der Nähe eines "Konifoldübergangslokus" im Modulraum der komplexen Strukturen stabilisieren. Das Axion erhält ein nicht-triviales, aber stark unterdrücktes Potential, da seine Feldauslenkung zwei oder mehr "Klebanov-Strassler (KS) throats" gegeneinander verdreht. Dies kann als ein rein geometrischer Effekt in 10d verstanden werden, aber auch als Fehlausrichtung von Gaugino-Kondensaten in verschiedenen Feldtheoriesektoren, die eine duale Beschreibung des zehndimensionalen throat-Systems sind. Das skalare Potential erweist sich als periodisch, während seine Periodizität in Bezug auf die natürliche Axionperiodizität durch einen endlichen Monodromiefaktor erhöht werden kann, wodurch seine Zerfallskonstante in vielen Fällen parametrisch super-planckisch wird. Während unser Modell der starken Form der WGC nicht gehorcht, identifizieren wir eine Bedingung, die die generische Präsenz dominanter subplanckischer Modulierungen erzwingt, sodass wir mit dieser Konstruktion keine Modelle natürlicher Inflation bauen können.