Kurzfassung
Zusammenfassung
Die Kompaktifizierungen der Stringtheorie sagen im Allgemeinen die Existenz eines reichen Spektrums axionähnlicher Felder des sogenannten Aziversums voraus, deren Massen und Kopplungen durch die Geometrie und die Flussstruktur der Kompaktifizierung bestimmt werden. In dieser Arbeit untersuchen wir die kosmologischen und phänomenologischen Implikationen solcher Axionen und kombinieren Erkenntnisse sowohl aus Typ-IIB-Orientifolds als auch aus heterotischen Es E-Calabi-Yau-Kompaktifizierungen.
Wir beginnen mit der Charakterisierung der generischen Struktur des heterotischen Axiversums, indem wir das Axion-Massenspektrum sowie die effektiven Kopplungen der Axionen an Eich-felder abbilden. Diese Analyse liefert modellunabhängige Einschränkungen hinsichtlich ihrer Rolle bei der Lösung des starken CP-Problems, ihres Beitrags zur Dunklen Materie und ihrer Vermittlung von Wechselwirkungen zwischen sichtbarem und verborgenem Sektor.
Weiterhin untersuchen wir Inflationssszenarien, in denen Spektatoraxionen über Chern-Simons-Wechselwirkungen an verborgene Eichsektoren koppeln, was zu charakteristischen Mehrgipfel-strukturen in den Skalar- und Tensor spektren führt. Wir analysieren Axion-Eichfeld-Modelle mit transienten Fast-Roll-Phasen und zeigen, wie diese Spektralverzerrungen verstärken können, während gleichzeitig großskalige CMB-Beschränkungen eingehalten werden, und identifizieren die Herausforderungen bei der Kontrolle solcher Dynamiken in nichtabelschen Szenarien. Solche Modelle können einen „Gravitationswellenwald“ erzeugen, der sich über mehrere Größenord-nungen in der Frequenz erstreckt und im nHz-Bereich möglicherweise aktuelle Signale von Pulsartiming-Arrays erklären könnte. Wir analysieren die komplementäre Rolle von CMB-Spektralverzerrungen bei der Einschränkung des Skalarsektors und identifizieren die Details der Stringtheorie-Kompaktifizierung, die die erforderlichen Kopplungen im String-Landscape auf natürliche Weise realisieren.
Abschließend betrachten wir nichtperturbative Dynamiken im frühen Universum, wobei wir uns auf die Axionproduktion durch parametrische Resonanz während der Vorwärmephase in String-Inflationsmodellen konzentrieren. Kinetische Kopplungen und modulabhängige Massen führen zu verallgemeinerten Mathieu-Gleichungen, die eine effiziente Produktion schwerer Ax-ionen ermöglichen, welche das Universum überdichten könnten, sofern die Inflationsparameter nicht entsprechend eingeschränkt werden. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, wie die Stringtheorie einen natürlichen Rahmen zur Einbettung reicher Axionsektoren bereitstellt und wie deren kosmologische Dynamik einzigartige Beobachtungsfenster, von Gravitationswellen bis zu Spektralverzerrungem, in die Hochenergiephysik des frühen Universums eröffnet.
Abstract String theory compactifications generically predict the existence of a rich spectrum of axion-like fields, the so-called Ariverse, whose masses and couplings are determined by the geometry and flux structure of the compactification. In this thesis, we explore the cosmological and phenomenological implications of such axions, combining insights from both Type IIB orientifold and heterotic Ex E, Calabi-Yau compactifications. We initiate the characterization of the generic structure of the heterotic axiverse, mapping the axion mass spectrum and the effective couplings of axions to gauge fields. This analysis reveals model-independent constraints on their role in solving the strong CP problem, contributing to dark matter, and mediating hidden-visible sector interactions. We further investigate inflationary scenarios where spectator axions couple to hidden gauge sec-tors via Chern-Simons interactions, leading to distinctive multi-peak features in the scalar and tensor spectra. We study axion-gauge field models with transient fast-roll phases, showing how they can enhance spectral distortions while satisfying large-scale CMB bounds, and identifying the challenges of controlling such dynamics in non-Abelian scenarios. These models can pro duce a „gravitational-wave forest“ spanning several decades in frequency, with the nHz band potentially explaining recent pulsar timing array signals. We analyze the complementary role of CMB spectral distortions in constraining the scalar sector, and identify the details of the string theory compactification that naturally realize the required couplings in the string landscape. Finally, we examine non-perturbative dynamics in the early universe, focusing on axion produc-tion via parametric resonance during preheating in string inflation models. Kinetic couplings and moduli-dependent masses lead to generalized Mathieu equations, enabling efficient produc-tion of heavy axions that can overclose the universe unless inflationary parameters are suitably constrained. Taken together, these results demonstrate how string theory provides a natural framework for embedding rich axion sectors, and how their cosmological dynamics offer unique observational windows, from gravitational waves to spectral distortions, into the high-energy physics of the early universe.