Physik

Theoretische Physik ist die Disziplin, die darauf hinarbeitet, die Welt durch fundamentale Gleichungen zu beschreiben. Das Ziel ist es, Beobachtungen zu abstrahieren und auf grundlegende Prinzipien zurückzuführen, die viele verschiedene Auswirkungen in der Natur haben können. Physikalische Prozesse sind häufig die Basis für andere Naturwissenschaften, so ist die Quantenmechanik wichtig, um Atome und dadurch auch die Chemie zu verstehen. Um makroskopische Phänomene verstehen zu können, ist es unerlässlich, Wissen über die mikroskopische Dynamik zu etablieren. Theoretische Physiker am FIAS arbeiten mit komplexen Modellen auf sehr verschiedenen Skalen, von Elementarteilchen über die Nano-Meso-Skala von Proteinen bis hin zu riesigen Objekten wie Neutronensternen.

Stark Wechselwirkende Materie

Die Eigenschaften von stark wechselwirkender Materien unter extremen Bedingungen, die der Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) unterliegen, sind größtenteils unbekannt. Bei hohen Temperaturen – die man in Schwerionenkollisionen erreichen kann — sagt die QCD einen Phasenübergang von normaler Materie zum Quark-Gluon-Plasma voraus, wo die elementaren Bestandteile nicht mehr in kleinen Gruppen zusammengeschlossen sind (der sogenannte Farbeinschluss wird aufgehoben). Andere interessante neue Phasen der stark wechselwirkenden Materie, zum Beispiel Farbsupraleitung, könnten in den hohen Dichten und niedrigen Temperaturen im Innern eines kompakten Sterns (Neutronen- oder Quarkstern) realisiert sein.

Am FIAS arbeiten theoretische Physiker daran, die Eigenschaften stark wechselwirkender Materie mit Hilfe einer großen Auswahl an Methoden und Werkzeugen zu verstehen:

  • Rechnungen der Zustandsgleichung und des Phasendiagramms werden mit effektiven Modellen durchgeführt, die auf hadronischen und partonischen Freiheitsgraden beruhen. Dazu zählen verschiedene Versionen der relativistischen Molekularfeldtheorie („Mean Field Theory”), chirale Modelle mit Polyakov-Schleifen und Dilaton-Feld und Resonanzgasmodelle.
  • Dynamische Modellierung der komplexen Vielteilchendynamik in Schwerionenkollisionen mit Methoden der klassischen und der Quantenmechanik, statistischen Mechanik, Transporttheorie, Quantenfeldtheorie und Dualität zur Gravitation. Unter den hierfür verwendeten Modellen sind relativistische Hydrodynamik, Transportzugänge (z.B. Parton-Hadron String Dynamics PHSD) und Quantenmolekulardynamik (z.B. Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics UrQMD)
  • Die Struktur von exotischen Atomkernen weit weg vom Tal der Stabilität, einschließlich Hyperkernen und Antikernen mittels den Lösungen der entsprechenden Vielkörperprobleme. Bindungsenergien und Anregungsspektra dieser Kerne helfen, die Synthese von schweren Atomen in Sternexplosionen zu verstehen.
  • Untersuchungen der Interaktion von Ionen mit Materie in umfassenden Simulationen (GEANT4), besonders für die Schwerionenkrebstherapie relevant.

Interdisziplinäre Kollaboration, besonders mit Computerwissenschaftlern, ist essentiell für Forschung in theoretischer Physik auf dem neuesten Stand der Technik. Theoretiker am FIAS arbeiten eng mit ihren experimentellen Kollegen an den großen Beschleunigerzentren GSI (Darmstadt), CERN-LHC (Genf) und BNL-RHIC (Brookhaven) zusammen und sind im Rahmen des HIC for FAIR-Programmes eng mit den Vorbereitungen für die zukünftigen FAIR-Experimente verbunden.


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