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.
Die Nachwuchsforschungsgruppe in der Übersicht
Standort | Ludwig-Maximilians-Universität München |
Anbindung | Elitestudiengang „Theoretische und Mathematische Physik“ |
Projektdauer | 2014 bis 2019 |
Leitung | Dr. Dirk-André Deckert E-Mail an Dr. Dirk-André Deckert senden |
Weitere Informationen | Webpräsenz Wechselwirkung zwischen Licht und Materie |
Grundlegende Struktur und Prozesse von Materie
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.
Beschreibung von Strahlungsrückreaktion und Paarerzeugung
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, sog. „nichtperturbative“ Methoden entwickelt werden. Dies ist neben Grundlagenfragen der Quantenelektrodynamik das vorrangige Ziel der Forschungsgruppe. Den Schwerpunkt bildet dabei zunächst die kontrollierte 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.
Ebenso wird die präzise Vorhersage der durch Strahlung hervorgerufenen Reibung beschleunigter Ladungen, welche einen entscheidenden Grundbaustein zur angehenden Wake-Field-Beschleunigertechnologie darstellt, untersucht.
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.


Wie auch durch meine Erfahrungen im Ausland und in der Betreuung des Elitestudiengangs „Theoretische und Mathematische Physik“ bestätigt, liegt das Elitenetzwerk Bayern in der Güte der Förderprogramme im internationalen Vergleich ganz weit vorn.
Dr. Dirk-André Deckert
Die Internationale Nachwuchsforschungsgruppe kooperiert mit dem Elitestudiengang „Theoretische und Mathematische Physik“ der Ludwig-Maximilians-Universität München.
Weitere Kooperationen
ETH Zürich | Zürich, Schweiz |
Griffith University | Brisbane, Australien |
University of California | Davis, USA |
Universität Tor Vergata | Rom, Italien |
Universität Triest | Triest, Italien |