Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Das zentrale Thema dieser Internationalen Nach­wuchs­­forschungs­­gruppe ist die Wech­sel­wir­kung zwischen Licht und Materie, genau genommen zwi­schen elektro­magnetischen Feldern und gela­denen Elementar­teilchen. Seit Anbeginn ist sie Ge­gen­stand wissen­schaft­licher Unter­suchungen. 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 und Prozesse 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 lassen. 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 zum Beispiel auf­einander­sto­ßenden Teilchen nicht viel Zeit zur Wechsel­wirkung bleibt, bevor sie wieder aus­ein­an­der­streuen.

In anderen Regimen, in denen zum Beispiel ge­la­de­ne Teilchen ultra­star­ken Laserfeldern über einen längeren Zeitraum ausgesetzt werden, deuten so­wohl Theorie als auch Experi­ment darauf hin, dass mit her­kömm­li­chen Methoden keine ganz zu­frie­den­stel­len­den Vor­her­sagen gewonnen werden können.