In this thesis, we discuss various aspects of the phenomenology of axion fields originating from the compactification of type IIB superstring theory. First, we give an overview of moduli stabilisation and string axions. Starting from their origin as p-form gauge potentials integrated over p-cycles of the internal manifold, we discuss how they behave as four-dimensional effective fields and how they relate with certain swampland conjectures, namely the axionic version of the Weak Gravity Conjecture and the Festina Lente bound. Moreover, we study the effective theory of thraxions, i.e. ultralight axionic modes living in warped throats of Calabi-Yau manifolds. Then, we move to cosmology and in particular we focus on inflation and dark matter, two open issues which could find a solution once axions are taken into account. After reviewing the inflationary dynamics and some of the main proposals of axion inflation, we proceed to discuss how to realise hybrid inflation with axions supplying also a way to UV-complete the model. Moreover, and we provide a new approach to winding inflation, where the inflationary sector and dynamics arise from the complex structure moduli and are governed by certain topological invariants of the Calabi-Yau. Finally, we give a string-theoretical explanation of fuzzy dark matter as made of ultralight axions coming from type IIB compactifications. We show how it is possible to obtain such light axions in the type IIB axiverse including also thraxions, and we relate them with the present observational constraints. This allows us to both restrict the parameter space where future experiments could possibly detect string axions, and to use the observational bounds to put constraints on the UV theory and the compact dimensions.
In dieser Dissertation behandeln wir verschiedene Aspekte der Phänomenologie von Axionen, welche in Kompaktifizierungen der Typ IIB Stringtheorie auftreten. Zunächst geben wir einen Überblick über die Modulistabilisierung und Axionen in der Stringtheorie. Ausgehend von Ihrem Ursprung als Integral von p-Form Eichpotentialen über p-Zykel der internen Mannigfaltigkeit diskutieren wir, wie sich Axionen als vierdimensionale effektive Felder verhalten und wie sie mit bestimmten Swampland Vermutungen wie der Weak Gravity Conjecture und dem Festina Lente Bound in Verbindung stehen. Weiterhin analysieren wir die effektive Theorie ultraleichter axionischer Moden in warped throat Regionen von Calabi-Yau Mannigfaltigkeiten, sogenannter Thraxionen. Anschließend wenden wir uns der Kosmologie zu, mit besonderem Augenmerk auf die Probleme der kosmologischen Inflation und der dunklen Materie, welche möglicherweise in der Axionphysik eine Lösung finden könnten. Nachdem wir die inflationäre Dynamik und einige Modelle der Axion-Inflation beschreiben, erörtern wir, wie hybrid inflation mittels Axionen realisiert werden kann und schlagen eine UV-Vervollständigung dieses Modells vor. Außerdem präsentieren wir einen neuen Ansatz für winding inflation Modelle, in welchem der inflationäre Sektor und dessen Dynamik aus den Moduli der komplexen Struktur einer Calabi-Yau entspringt und durch topologische Invarianten dieser bestimmt wird. Schlussendlich liefern wir eine stringtheoretische Erklärung von fuzzy dark matter, in welcher diese aus ultraleichten Axionen in Typ IIB Kompaktifizierungen besteht. Wir zeigen auf, wie es möglich ist, solche leichten Axionen im IIB Axiversum zu realisieren und untersuchen die Kompatibilität mit aktuellen experimentellen Beobachtungen. Dies ermöglicht es uns den Parameterbereich einzuschränken, in welchem zukünftige Experimente möglicherweise String-Axionen finden könnten. Weiterhin können wir die UV-Theorie sowie die kompakten Raumdimensionen hierdurch einschränken.