Elitenetzwerk: Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

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

StandortLudwig-Maximilians-Universität München
AnbindungElitestudiengang „Theoretische und Mathematische Physik“
Projektdauer2014 bis 2019
LeitungDr. Dirk-André Deckert
E-Mail an Dr. Dirk-André Deckert senden
Weitere InformationenWebpräsenz 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.

Porträtfoto: Dr. Dirk – André Deckert

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 ZürichZürich, Schweiz
Griffith UniversityBrisbane, Australien
University of CaliforniaDavis, USA
Universität Tor VergataRom, Italien
Universität TriestTriest, Italien