On the Interplay between String and Field Theory

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