TY  - THES
A1  - Adamek, Julian
T1  - Classical and Quantum Aspects of Anisotropic Cosmology
T1  - Klassische und Quantentheoretische Gesichtspunkte der Anisotropen Kosmologie
N2  - The idea that our observable Universe may have originated from a quantum tunneling event out of an eternally inflating false vacuum state is a cornerstone of the multiverse paradigm. Modern theories that are considered as an approach towards the ultraviolet-complete fundamental theory of particles and gravity, such as the various types of string theory, even suggest that a vast landscape of different vacuum configurations exists, and that gravitational tunneling is an important mechanism with which the Universe can explore this landscape. The tunneling scenario also presents a unique framework to address the initial conditions of our observable Universe. In particular, it allows to introduce deviations from the cosmological concordance model in a controlled and well-motivated way. These deviations are a central topic of this work. An important feature in most of the theories mentioned above is the presumed existence of additional space dimensions in excess of the three which we observe in our every-day experience. It was realized that these extra dimensions could avoid our detection if they are compactified to microscopic length scales far beyond the reach of current experiments. There also seem to be natural mechanisms available for dynamical compactification in those theories. These typically lead to a vast landscape of different vacuum configurations which also may differ in the number of macroscopic dimensions, only the total number of dimensions being determined by the theory. Transitions between these vacuum configurations may hence open up new directions which were previously compact, spontaneously compactify some previously macroscopic directions, or otherwise re-arrange the configuration of compact and macroscopic dimensions in a more general way. From within the bubble Universe, such a process may be perceived as an anisotropic background spacetime - intuitively, the dimensions which open up may give rise to preferred directions. If our 3+1 dimensional observable Universe was born in a process as described above, one may expect to find traces of a preferred direction in cosmological observations. For instance, two directions could be curved like on a sphere, while the third space direction is flat. Using a scenario of gravitational tunneling to fix the initial conditions, I show how the primordial signatures in such an anisotropic Universe can be obtained in principle and work out a particular example in more detail. A small deviation from isotropy also has phenomenological consequences for the later evolution of the Universe. I discuss the most important effects and show that backreaction can be dynamically important. In particular, under certain conditions, a buildup of anisotropic stress in different components of the cosmic fluid can lead to a dynamical isotropization of the total stress-energy tensor. The mechanism is again demonstrated with the help of a physical example.
N2  - Die Vorstellung von einem Multiversum baut unter anderem auf dem Gedanken auf, dass unser beobachtbares Universum in einem Tunnelprozess entstanden sein könnte. Demzufolge hätte es sich dabei von einem ewig währenden, inflationären Vakuumzustand abgekoppelt. Die so entstehende Blase gleicht einer bewohnbaren Insel inmitten eines gewaltigen Ozeans. Moderne Theorien, die als gute Ansätze bezüglich einer fundamentalen und ultraviolett-vollständigen Beschreibung von Elementarteilchen und Gravitation angesehen werden, wie etwa die verschiedenen Ausprägungen der Stringtheorie, legen sogar nahe, dass eine ganze "Landschaft" (im Englischen "landscape") verschiedener Vakuumzustände existiert, und dass Tunnelprozesse einen wichtigen Mechanismus darstellen, mit dem das Universum die Vielzahl an Möglichkeiten erforschen und realisieren kann. Das Tunnelszenario stellt auch einen einzigartigen Rahmen zur Verfügung, um die Anfangsbedingungen unseres beobachtbaren Universums zu untersuchen. Insbesondere besteht damit die Möglichkeit, geringfügige Abweichungen vom kosmologischen Standardmodell in kontrollierter und gut motivierter Art und Weise zu realisieren. Solche Abweichungen stellen eines der zentralen Themen dieser Arbeit dar. Eine wichtige Besonderheit der eben erwähnten Theorien ist die Annahme, dass neben den drei uns bekannten Raumdimensionen eine Vielzahl weiterer existieren könnte. Diese Zusatzdimensionen könnten vor uns verborgen sein, wenn sie kompakt sind und nur extrem mikroskopische Ausmaße haben, so dass sie sich weit unterhalb des Auflösungsvermögens heutiger Experimente befinden. Mechanismen, welche eine solche mikroskopische Gestalt dynamisch erklären könnten, sind in den gängigen Theorien auf ganz natürliche Weise verfügbar. Typischerweise ergibt sich daraus das eben gezeichnete Bild einer ausgedehnten "Landschaft" verschiedener Konfigurationen. Die Vakuumzustände können sich nun auch in der Anzahl und Gestalt der mikroskopischen Dimensionen unterscheiden, da nur die Gesamtzahl an Raumdimensionen von der Theorie vorgegeben wird. Übergänge zwischen diesen Zuständen können also dazu führen, dass neue Raumrichtungen entstehen, indem mikroskopische Dimensionen sich plötzlich aufblähen, alte Raumrichtungen verschwinden, indem sie sich spontan ins Mikroskopische zusammenziehen, oder dass die Konfiguration der Raumdimensionen auf eine noch kompliziertere Art und Weise verändert wird. Aus Sicht des neu entstehenden "Universums" in der Blase führt ein solcher Prozess effektiv zu einem anisotropen Hintergrund - vereinfacht ausgedrückt können die neu entstehenden Raumrichtungen eine Vorzugsrichtung ausweisen. Wenn unser 3+1 dimensionales beobachtbares Universum in einem solchen Prozess entstanden ist, kann man vermuten, dass sich in kosmologischen Beobachtungen Hinweise auf eine Vorzugsrichtung finden lassen müssten. Zum Beispiel könnten zwei Raumrichtungen gekrümmt wie eine Kugeloberfläche sein, während die dritte Richtung keinerlei Krümmung aufweist. Indem ich ein Tunnelszenario benutze, um die Anfangsbedingungen festzulegen, gelingt es mir zu zeigen wie die primordialen Spuren eines solchen anisotropen Universums prinzipiell auszusehen haben und führe eine Berechnung anhand eines speziellen Beispiels explizit vor. Eine geringfügige Abweichung von Isotropie hat ebenfalls phänomenologische Auswirkungen auf die spätere Entwicklung des Universums. Ich gehe auf die wichtigsten Effekte ein und zeige außerdem, dass Rückkopplung dynamisch relevant sein kann. Insbesondere kann sich unter gewissen Voraussetzungen ein Ungleichgewicht der Druckkräfte in verschiedenen Komponenten der "kosmischen Flüssigkeit" aufbauen, das insgesamt zu einer dynamischen Isotropisierung des kollektiven Energie-Impuls-Tensors führt. Dieser Mechanismus wird ebenfalls anhand eines konkreten Beispiels beleuchtet.
KW  - Kosmologie
KW  - Anisotropes Universum
KW  - Quantenkosmologie
KW  - Bianchi-Kosmologie
KW  - Anisotropic Universe
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65908
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mück, Alexander
T1  - The standard model in 5D : theoretical consistency and experimental constraints
T1  - Das Standardmodell in 5D : Theoretische Konsistenz und experimentelle Schranken
N2  - The four-dimensional Minkowski space is known to be a good description for space-time down to the length scales probed by the latest high-energy experiments. Nevertheless, there is the viable and exciting possibility that additional space-time structure will be observable in the next generation of collider experiments. Hence, we discuss different extensions of the standard model of particle physics with an extra dimension at the TeV-scale. We assume that some of the gauge and Higgs bosons propagate in one additional spatial dimension, while matter fields are confined to a four-dimensional subspace, the usual Minkowski space. After compactification on an S^1/Z_2 orbifold, an effective four-dimensional theory is obtained where towers of Kaluza-Klein (KK) modes, in addition to the standard model fields, reflect the higher-dimensional structure of space-time. The models are elaborated from the 5D Lagrangian to the Feynman rules of the KK modes. Special attention is paid to an appropriate generalization of the Rxi-gauge and the interplay between spontaneous symmetry breaking and compactification. Confronting the observables in 5D standard model extensions with combined precision measurements at the Z-boson pole and the latest data from LEP2, we constrain the possible size R of the extra dimension experimentally. A multi-parameter fit of all relevant input parameters leads to bounds for the compactification scale M=1/R in the range 4-6 TeV at the 2 sigma confidence level and shows how the mass of the Higgs boson is correlated with the size of an extra dimension. Considering a future linear e+e- collider, we outline the discovery potential for an extra dimension using the proposed TESLA specifications as an example. As a consistency check for the various models, we analyze Ward identities and the gauge boson equivalence theorem in W-pair production and find that gauge symmetry is preserved by a complex interplay of the Kaluza-Klein modes. In this context, we point out the close analogy between the traditional Higgs mechanism and mass generation for gauge bosons via compactification. Beyond the tree-level, the higher-dimensional models studied extensively in the literature and in the first part of this thesis have to be extended. We modify the models by the inclusion of brane kinetic terms which are required as counter terms. Again, we derive the corresponding 4D theory for the KK towers paying special attention to gauge fixing and spontaneous symmetry breaking. Finally, the phenomenological implications of the new brane kinetic terms are investigated in detail.
N2  - Bis hin zu den kleinsten Längenskalen, die bisher in Hochenergieexperimenten getestet werden konnten, lässt sich die Natur auf der Basis des vierdimensionalen Minkowski-Raums beschreiben. Dennoch kann man die aufregende Möglichkeit nicht ausschließen, dass bereits die nächste Generation von Beschleunigerexperimenten eine zusätzliche Struktur der Raumzeit aufdecken wird. Daher betrachten wir verschiedene Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik mit einer zusätzlichen Dimension im TeV-Bereich. Wir nehmen an, dass einige oder alle Higgs- und Eichbosonen in einer fünften, raumartigen Dimension propagieren können, während die fermionische Materie auf den gewöhnlichen Minkowski-Raum beschränkt bleibt. Durch Kompaktifizierung auf ein S^1/Z_2 Orbifold wird eine effektive vierdimensionale Theorie abgeleitet, in der sich die zusätzliche Raumzeitstruktur durch ein Spektrum von Kaluza-Klein (KK) Moden widerspiegelt. Dabei werden die untersuchten Modelle, ausgehend von der 5D Lagrangedichte, bis hin zu den Feynmanregeln für die KK Moden ausgearbeitet. Insbesondere zeigen wir die konsistente Verallgemeinerung der Rxi-Eichung und untersuchen das Wechselspiel von spontaner Symmetriebrechung und Kompaktifizierung. Um den Radius R der fünften Dimension durch Messungen einzuschränken, benutzen wir sowohl Daten aus Experimenten auf der Z-Boson-Resonanz als auch LEP2 Wirkunsquerschnitte. Bei 2 sigma Signifikanz finden wir für die verschiedenen Modelle als untere Schranke für die Kompaktifizierungsskala M=1/R etwa 4-6 TeV. Mit Hilfe eines Multiparameterfits werden auch Korrelationen zwischen der Kompaktifizierungsskala und der Masse des Higgs-Bosons aufgezeigt. Darüber hinaus wird am Beispiel des TESLA-Projektes das Entdeckungspotential eines zukünftigen e+e- Linearbeschleunigers für zusätzliche Raumzeitstruktur ausgelotet. Als Konsistenztest für die verschiedenen Modelle untersuchen wir Ward-Identitäten und das Eichboson-Äquivalenztheorem am Beispiel der W-Boson-Paarproduktion, in der ein komplexes Zusammenspiel der KK Moden die Eichinvarianz sicherstellt. Des Weiteren wird die enge Analogie zwischen dem traditionellen Higgs-Mechanismus und der Massenerzeugung für Eichbosonen durch Kompaktifizierung herausgearbeitet. Auf Einschleifen-Niveau zeigt sich schließlich, dass die einfachsten, im ersten Teil dieser Arbeit sowie in der Literatur eingehend untersuchten Modelle erweitert werden müssen. Daher beziehen wir lokalisierte kinetische Terme ein, die als Counterterme benötigt werden. Für die so erweiterten Modelle leiten wir wiederum die effektive 4D Theorie für die KK Moden ab und untersuchen insbesondere die Eichfixierung und spontane Symmetriebrechung. Abschließend bestimmen wir den Einfluss der neuen kinetischen Terme auf die Phänomenologie.
KW  - Standardmodell <Elementarteilchenphysik>
KW  - Dimension 5
KW  - Teilchenphysik
KW  - zusätzliche Dimensionen
KW  - particle physics
KW  - extra dimensions
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10591
ER  -