Ever since the universe was created during the Big Bang, it has been expanding continuously. However, very narrow initial conditions have to be met in order to produce the universe that we observe today. The simplest explanation for this is a period of “cosmic inflation”, lasting a few fractions of a second after the Big Bang, which inflated the universe very swiftly and made it grow exponentially. Afterwards, the universe cooled and expanded more slowly until it had almost reached its present size. Then, within the last five billion years, the expansion of the universe has once again been accelerated by dark energy, this time very slowly and at a much lower rate than during the inflation phase.

One of the characteristic signals of the inflationary epoch is the production of gravitational waves, which can in principle be detected via specific polarisation patterns in the cosmic microwave background radiation (CMB), which might soon be observed in the experiments.

High-precision measurements of the CMB and its polarization in a number of experiments, e.g. the European Planck satellite, or the Keck Array and BICEP2/BICEP3 (both in the Antarctic), are now for the first time giving researchers the scientific foundations for studying the inflationary phase at the very beginning of time.

Our group examines how inflationary models can be incorporated into string theory.

String theory is one of the candidates for a unified description of the laws of physics, including the theory of quantum gravity. In string theory, the fundamental building blocks of the universe are considered to be tiny, vibrating strings. Depending on the type of vibration, these strings can be manifest as one type of particle or another. The problem is that these strings are so small as to be beyond the reach of any experiments that can be conducted using present-day technology. The theory has an abundance of solutions describing various different possible universes, each displaying different physical laws, which can be confirmed under experimental conditions that are accessible to us. This means that an entire range of possible inflation models exists in string theory.

We want to filter the existing inflation models that can be described using string theory according to the frequency with which they produce inflationary gravitational waves of observable magnitude. Using these gravitational waves as visible consequences, we are hoping to come up with an approach capable of testing string theory experimentally.

Seit das Universum im Urknall entstand, breitet es sich unaufhörlich aus. Allerdings entsteht dabei nur unter extrem engen Anfangsbedingungen das Universum wie wir es heute beobachten. Die einfachste Erklärung dafür ist eine Phase “kosmischer Inflation” nur Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall, die das Universum rasant schnell und exponentiell anwachsend aufbläst. Anschließend dehnte sich das Weltall unter Abkühlung langsamer werdend bis fast zur heutigen Größe aus. In den letzten fünf Milliarden Jahren dann wurde die Ausdehnung des Universums durch die Dunkle Energie ein zweites Mal beschleunigt, diesmal sehr langsam und auf viel niedrigerem Niveau als während der Inflationsphase.

Ein charakteristisches Signal der Inflationsphase ist die Produktion von Gravitationswellen, die prinzipiell durch ein besonderes Polarisationsmuster der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB) nachweisbar sind, das bald von Experimenten wahrgenommen werden könnte.

Unsere Arbeitsgruppe untersucht die Einbettung von Inflationsmodellen in die Stringtheorie.

Die Stringtheorie ist ein Kandidat für eine vollständig vereinheitlichte Beschreibung der physikalischen Gesetze einschließlich einer Theorie der Quantengravitation. Die Grundbausteine des Universums bestehen in der Stringtheorie aus winzig kleinen schwingenden Fäden. Je nach Schwingungsart dieser Fäden zeigen sie sich als das eine oder andere Teilchen. Das Problem ist, dass diese Fäden so klein sind, dass sie sich heute möglichen Experimenten komplett entziehen. Diese Theorie besitzt eine ganze Fülle von Lösungen, die verschiedene mögliche Universen mit unterschiedlichen physikalischen Gesetzen bei uns zugänglichen experimentellen Bedingungen beschreiben. Damit existiert auch ein ganzes Spektrum an möglichen Inflationsmodellen in der Stringtheorie.

Wir wollen versuchen, existierende Inflationsmodelle, die sich mit der Stringtheorie beschreiben lassen, durch die Häufigkeit herauszufiltern, mit der sie inflationäre Gravitationswellen von beobachtbarer Stärke erzeugen. Mit diesen Gravitationswellen als beobachtbare Konsequenzen erhoffen wir uns auch einen ersten Ansatz, um die Stringtheorie experimentell zu prüfen.