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Computational methods in string theory and applications to the swampland conjectures
Computational methods in string theory and applications to the swampland conjectures
The goal of the swampland program is the classification of low energy effective theories which can be consistently coupled to quantum gravity. Due to the vastness of the string landscape most results of the swampland program are still conjectures, yet the web of conjectures is ever growing and many interdependencies between different conjectures are known. A better understanding or even proof of these conjectures would result in restrictions on the allowed effective theories. The aim of this thesis is to develop the necessary mathematical tools to explicitly test the conjectures in a string theory setup. To this end the periods of Calabi-Yau manifolds are computed numerically as well as analytically. Furthermore, tools applicable to general string phenomenological models are discussed, including the computation of target space Calabi-Yau metrics, line bundle cohomologies and Strebel differentials. These periods are used to test two conjectures, the refined swampland distance conjecture as well as the dS conjecture. The first states that an effective field theory is only valid up to a certain value of field excursions. If larger field values are included, the effective description breaks down due to an infinite tower of states becoming exponentially light. The conjecture is tested explicitly by computing the distances in the moduli space of CY manifolds. Challenging this conjecture requires the computation of the periods of different Calabi-Yau spaces. The dS conjecture on the other hand forbids vacua with positive cosmological constant. To test this conjecture, the KKLT construction is examined in detail and some steps of the construction are carried out explicitly. Moreover, the validity of the assumed effective theory in a warped throat is investigated. Besides these traditional approaches more exotic ones are followed, including the construction of dS theories using tachyons as well as modifying the signature of space time., Das Ziel des Swampland Programms ist die Klassifizierung effektiver, zu Quantengravitationstheorien vervollständigbarer Theorien. Aufgrund der enormen Anzahl an möglichen Stringvacua, zusammengefasst in der sogenannten Stringlandschaft, sind die meisten der bisherigen Resultate des Programms Vermutungen. Jedoch existiert ein beständig wachsendes dichtes Netz aus Abhängigkeiten zwischen diesen Vermutungen. Ein besseres Verständnis oder ein Beweis dieser Vermutungen würde die erlaubten Niederenergietheorien einschränken. Das Ziel dieser Arbeit ist deshalb die Entwicklung mathematischer Methoden, die explizite Tests der Swampland Vermutungen in stringtheoretischen Modellen ermöglichen. Insbesondere werden Perioden von Calabi-Yau Mannigfaltigkeiten auf numerischem und analytischem Weg berechnet. Darüber hinaus werden Methoden zur Berechnung von Calabi-Yau Metriken, Linienbündelkohomologien und Strebeldifferentialen behandelt. Diese werden zur Überprüfung zweier Vermutungen eingesetzt, zum Test der Swampland Distanzvermutung sowie zum Test der dS Vermutung. Erstere besagt, dass eine effektive Theorie nur bis zu bestimmten Feldwerten gültig sein kann. Werden diese überschritten werden unendlich viele nicht berücksichtigte Zustände exponentiell leicht und die verwendete effektive Beschreibung bricht zusammen. Diese Vermutung wird durch eine explizite Berechnung von Distanzen zwischen effektiven Theorien in Calabi-Yau Moduliräumen getestet. Die dS Vermutung verbietet hingegen stabile Vacua mit positiver kosmologischer Konstante. Um diese Vermutung zu überprüfen, wird ein Teil der KKLT-Konstruktion explizit durchgeführt. Darüber hinaus wird die Validität der zugrundeliegenden effektiven Theorie in einem warped throat analysiert. Neben diesen traditionellen Herangehensweisen werden exotischere Ansätze für die Konstruktion von dS Räumen untersucht. Dies umfasst Tachyonenkondensation sowie andere Raumzeitsignaturen.
Stringtheorie, Swampland Programm
Schlechter, Lorenz
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Schlechter, Lorenz (2021): Computational methods in string theory and applications to the swampland conjectures. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The goal of the swampland program is the classification of low energy effective theories which can be consistently coupled to quantum gravity. Due to the vastness of the string landscape most results of the swampland program are still conjectures, yet the web of conjectures is ever growing and many interdependencies between different conjectures are known. A better understanding or even proof of these conjectures would result in restrictions on the allowed effective theories. The aim of this thesis is to develop the necessary mathematical tools to explicitly test the conjectures in a string theory setup. To this end the periods of Calabi-Yau manifolds are computed numerically as well as analytically. Furthermore, tools applicable to general string phenomenological models are discussed, including the computation of target space Calabi-Yau metrics, line bundle cohomologies and Strebel differentials. These periods are used to test two conjectures, the refined swampland distance conjecture as well as the dS conjecture. The first states that an effective field theory is only valid up to a certain value of field excursions. If larger field values are included, the effective description breaks down due to an infinite tower of states becoming exponentially light. The conjecture is tested explicitly by computing the distances in the moduli space of CY manifolds. Challenging this conjecture requires the computation of the periods of different Calabi-Yau spaces. The dS conjecture on the other hand forbids vacua with positive cosmological constant. To test this conjecture, the KKLT construction is examined in detail and some steps of the construction are carried out explicitly. Moreover, the validity of the assumed effective theory in a warped throat is investigated. Besides these traditional approaches more exotic ones are followed, including the construction of dS theories using tachyons as well as modifying the signature of space time.

Abstract

Das Ziel des Swampland Programms ist die Klassifizierung effektiver, zu Quantengravitationstheorien vervollständigbarer Theorien. Aufgrund der enormen Anzahl an möglichen Stringvacua, zusammengefasst in der sogenannten Stringlandschaft, sind die meisten der bisherigen Resultate des Programms Vermutungen. Jedoch existiert ein beständig wachsendes dichtes Netz aus Abhängigkeiten zwischen diesen Vermutungen. Ein besseres Verständnis oder ein Beweis dieser Vermutungen würde die erlaubten Niederenergietheorien einschränken. Das Ziel dieser Arbeit ist deshalb die Entwicklung mathematischer Methoden, die explizite Tests der Swampland Vermutungen in stringtheoretischen Modellen ermöglichen. Insbesondere werden Perioden von Calabi-Yau Mannigfaltigkeiten auf numerischem und analytischem Weg berechnet. Darüber hinaus werden Methoden zur Berechnung von Calabi-Yau Metriken, Linienbündelkohomologien und Strebeldifferentialen behandelt. Diese werden zur Überprüfung zweier Vermutungen eingesetzt, zum Test der Swampland Distanzvermutung sowie zum Test der dS Vermutung. Erstere besagt, dass eine effektive Theorie nur bis zu bestimmten Feldwerten gültig sein kann. Werden diese überschritten werden unendlich viele nicht berücksichtigte Zustände exponentiell leicht und die verwendete effektive Beschreibung bricht zusammen. Diese Vermutung wird durch eine explizite Berechnung von Distanzen zwischen effektiven Theorien in Calabi-Yau Moduliräumen getestet. Die dS Vermutung verbietet hingegen stabile Vacua mit positiver kosmologischer Konstante. Um diese Vermutung zu überprüfen, wird ein Teil der KKLT-Konstruktion explizit durchgeführt. Darüber hinaus wird die Validität der zugrundeliegenden effektiven Theorie in einem warped throat analysiert. Neben diesen traditionellen Herangehensweisen werden exotischere Ansätze für die Konstruktion von dS Räumen untersucht. Dies umfasst Tachyonenkondensation sowie andere Raumzeitsignaturen.