Zur Beschreibung der Wechselwirkungen auf einer fundamentaleren Ebene werden die Konzepte der relativistischen Quantenfeldtheorien verwendet. Mit dem Aufkommen der Quantenmechanik in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts wurde erkannt, dass das elektromagnetische Feld, einschließlich des Lichts, gequantelt ist und als ein Strom von Teilchen, den Photonen, betrachtet werden kann. Dies bedeutet, dass die Wechselwirkung zwischen Materie durch den Austausch von Photonen vermittelt wird. Die Materieteilchen wiederum sind Anregungen weiterer Quantenfelder, die die gesamte Raumzeit durchdringen und unaufhörliche Vakuumfluktuationen erzeugen.

Licht streut Licht

Ein Beispiel für ein rein quantenfeldtheoretisches Phänomen ist die Streuung von Licht an Licht, die in der klassischen Theorie des Elektromagnetismus unmöglich ist. Quantenfluktuationen können Photonen flüchtig in Elektron-Positron-Paare verwandeln, die mit denen anderer Photonen ausgetauscht werden können. Die Licht-zu-Licht-Streuung wurde erst kürzlich direkt beobachtet (in ultrarelativistischen Schwerionen-Kollisionen am CERN), trägt aber auch indirekt zu anderen quantenfeldtheoretischen Phänomenen bei, insbesondere zum anomalen magnetischen Moment von Elementarteilchen. Letzteres kann mit so hoher Genauigkeit gemessen werden, dass es dazu verwendet werden kann, die Grenzen des derzeitigen Standardmodells der Teilchenphysik zu testen, denn selbst Teilchen, die viel zu schwer sind, um in den heutigen Teilchenbeschleunigern erzeugt zu werden, treten in Vakuumfluktuationen auf.

Licht-Licht-Streuung (Photonen sind als Wellenlinien dargestellt, geladene Teilchen als Linien mit Pfeilen) und virtuelle Licht-Licht-Streuung in Korrekturen höherer Ordnung für das anomale magnetische Moment geladener Teilchen.

Korrespondenzen

Zu den jüngsten Forschungsthemen an unserem Institut gehört die hadronische Licht-zu-Licht-Streuung, bei der das Photon an stark wechselwirkende Teilchen koppelt. Die Wechselwirkungen dieser Teilchen sind zu komplex, um mithilfe der Störungstheorie und von Feynman-Diagrammen erfasst zu werden, so dass neue Techniken wie die Korrespondenz zwischen Eichung und Schwerkraft erforderlich sind. Letztere wird auch als Holographie bezeichnet, weil sie auf der Beschreibung einer stark wechselwirkenden Quantenfeldtheorie in einer flachen Raumzeit als eine Art Hologramm in einer höherdimensionalen gekrümmten Raumzeit beruht.

Ein theoretisch sauberes und gut untersuchtes Beispiel für die Dualität von Eichtheorie und Gravitation ist die so genannte AdS/CFT-Korrespondenz, bei der die höherdimensionale Raumzeit ein maximal symmetrischer, negativ gekrümmter (Anti-De-Sitter-) Raum ist und die Quantenfeldtheorie in einer Dimension weniger eine konforme Feldtheorie (CFT) ist. Konforme Feldtheorien spielen auch in der Stringtheorie eine wichtige Rolle.

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