Quantenfeldtheorie

Quantenfeldtheorie, Renormierungsgruppe und Informationstheorie

Mit den Konzepten der Quantenfeldtheorie lassen sich sehr viele Phänomene beschreiben, von der Ele-
mentarteilchenphysik über Optik und kondensierte Materie bis zur Kosmologie. Wir arbeiten hier an
einem noch tieferem Verständnis, teilweise mit mathematischen Methoden. Eine interessante Frage
ist dabei wie verschiedene physikalische Gesetze die bei verschiedenen Skalen gültig sind, aufeinander
hervorgehen.
Ein aktueller Schwerpunkt ist der Zusammenhang von Quantenfeldtheorie und Informationstheorie.

Relativistische Fluiddynamik

Quantenfelder verhalten sich über lange Zeiten, bei großen Abständen und wenn die Wechselwirkungs-
stärke groß genug ist, effektiv wie Flüssigkeiten. Diese Erkenntnis lässt sich nutzen um die Dynamik des
Quark-Gluon-Plasmas besser zu verstehen. Dieses hat im sehr frühen Universum eine Rolle gespielt und
kann heute in Laborexperimenten, etwa am LHC des CERN in Genf, studiert werden. In der Beschreibung
als relativistische Flüssigkeit benötigt man mikroskopische Materialeigenschaften wie eine thermodyna-
mische Zustandsgleichung, Viskosität, Leitfähigkeiten usw. Mit den Methoden der Quanten-
feldtheorie lassen sich diese aus den mikroskopischen Eigenschaften einer Theorie berechnen. Es ist
aber auch interessant die Bewegungsgleichungen Fluiddynamik selbst zu lösen.

Kosmologische Strukturbildung

Die Strukturen des heute beobachtbaren Universums auf sehr großen Skalen, etwa die Verteilung von Ga-
laxien und Galaxiehaufen, ist sehr wahrscheinlich aus Quantenfluktuationen im frühen Universum entstan-
den.
Wir beschäftigen uns mit zwei Aspekten dieser Theorie.
Einerseits mit der Beschreibung des Universums während dieses Strukturbildungsprozesses, insbesondere
bei vergleichsweise späten Zeiten, durch Methoden der statistischen Feldtheorie.
Andererseits mit der Idee die frühe Dynamik durch Quantensimulatoren experimentell zu testen. Dazu nutzt man modere Quantentechnologie in der Form wechselwirkender Bose-Einstein-Kondensate. Für quantisierte Schallanregungen, die Phonen, entsteht dort eine effektive Raum-Zeit-Metrik, als Funktion des Ortes und der
Zeit, ähnlich wie in der allgemeinen Relativitätstheorie. Durch geschickte Wahl des Dichteprofils und der
Wechselwirkungsstärke kann ein Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker Universum nachgebaut werden und die Quantenanregungen darauf in der Form der Photonen können studiert werden.