ELITE NETZWERK BAYERN

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   Internationale Nachwuchsforschergruppen

Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

LMU München


Internationale Nachwuchsforschergruppe
in den Naturwissenschaften


Leitung: Prof. Dr. Dirk-André Deckert


Kontakt: dirk-andre.deckert@elitenetzwerk.de


Projektdauer: 5 Jahre


Angliederung an das Programm des Elitenetzwerks Bayern:

Elitestudiengang „Theoretische und Mathematische Physik“


Kooperationsbeziehungen: 

•    Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Schweiz
•    Griffith University, Brisbane, Australia
•    Universität Regensburg, Regensburg, Germany
•    University of California, Davis, USA
•    University of Trieste, Italy
•    Universität of Tor Vergata, Rome, Italy


Das zentrale Thema dieser Forschergruppe ist die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, genau genommen zwischen elektromagnetischen Feldern und geladenen Elementarteilchen. Von der Gravitation abgesehen macht diese Wechselwirkung den größten Teil unserer täglichen Erfahrungswelt aus. Alles was wir sehen und fühlen ist auf sie zurückzuführen. Seit Anbeginn ist sie Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen, wobei überlieferte Abhandlungen bis auf Aristoteles zurückgehen. Dennoch befindet sich ihr grundlegendes Verständnis in vielerlei Hinsicht an den Grenzen des menschlichen Wissens, was ihrem Studium einen gleichermaßen traditionellen wie aktuellen Charakter verleiht. In ihrer modernen Form, der sogenannten „Quantenelektrodynamik“, führte die elektrodynamische Theorie zu vielerlei entscheidenden Vorhersagen, die in Teilchenbeschleunigerexperimenten wie dem CERN mit bemerkenswerter Genauigkeit bestätigt wurden. In solchen Experimenten prallen Elementarteilchen mit gewaltiger Kraft aufeinander, wechselwirken kurzzeitig, und streuen wieder auseinander. Durch die Analyse aufgenommener Streuquerschnitte erhalten wir dabei Einsichten in die grundlegende Struktur der Materie.

Trotz der Erfolge leidet die mathematische Formulierung dieser Theorie unter nicht wohldefinierten Bewegungsgleichungen, die Unendlichkeiten hervorrufen und jeden naiven Versuch zur Berechnung von Messgrößen scheitern lässt. Um dennoch Vorhersagen ableiten zu können, entwickelten Physiker und Mathematiker formale Rechenrezepte, die unter dem Namen „perturbative Renormalisierungstheorie“ zusammengefasst werden. Obwohl es an einem mathematisch rigorosen Verständnis dieser Methoden mangelt, scheinen diese in Regimen gut zu funktionieren, in denen z.B. aufeinander stoßenden Teilchen nicht viel Zeit zur Wechselwirkung bleibt, bevor sie wieder auseinander streuen. In anderen Regimen in denen z.B. geladene Teilchen ultrastarken Laserfeldern über einen längeren Zeitraum ausgesetzt werden, ist sowohl durch Theorie wie Experiment abzusehen, dass mit herkömmlichen Methoden keine zufriedenstellenden Vorhersagen gewonnen werden können.

Im Verlauf der nächsten zwei Jahrzehnte wird jedoch eine neue Generation von Experimenten eine Erforschung der Natur ermöglichen, die weit über reine Streuereignisse hinausgeht. Dies ist den jüngsten Fortschritten der Lasertechnologie zu verdanken. Diese Technologie wird das Testen elektrodynamischer Phänomene in weitaus kontrollierteren Umgebungen ermöglichen und darüber hinaus experimentelle Anlagen wie das CERN, dessen Umfang 26 Kilometer beträgt, womöglich auf Labortischgröße schrumpfen lassen.

Zur Planung, Vorhersage und Analyse solcher Experimente müssen neue, sogenannte „nichtperturbative“ Methoden entwickelt werden. Dies ist neben Grundlagenfragen das vorrangige Ziel dieser Nachwuchsforschergruppe. Das Augenmerk liegt vornehmlich auf:

1) Der kontrollierten Erzeugung einer Kaskade aus Materie-Antimaterie (Elektron-Positron) Paaren direkt aus dem Vakuum im Hinblick der im Rahmen des europäischen Projekts „Extreme Light Infrastructure“ geplanten Experimente.

2) Der präzisen Vorhersage der durch Strahlung hervorgerufenen Reibung beschleunigter Ladungen, welche einen entscheidenden Grundbaustein zur angehenden Wake-Field Beschleunigertechnologie darstellt.

Abgesehen von dem grundlegenden Verständnis der Natur schaffen Erfolge auf diesem Forschungsgebiet die Basis für unzählige Möglichkeiten in der Anwendung. Ein Beispiel dafür sind Hochtechnologien im Bereich der Diagnostik, Nuklearmedizin und Onkologie, welche im Zuge der elektrodynamischen Forschung wiederholt revolutioniert wurden. Die Gruppe selbst besteht aus dem Gruppenleiter und zwei Doktoranden und das Projekt läuft im September 2014 an.

Kontakt
Prof. Dr. Dirk-André Deckert

Weitere Informationen

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  • Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
  • Elitenetzwerk Bayern:
  • seit 1. September 2014