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Forschungsgebiete - Überblick |
Die Forschung des Instituts deckt ein breites Spektrum der theoretischen Physik ab - von Teilchenphysik, Stringtheorie und Kosmologie über kalte Quantengase bis zu komplexen Systemen, wie sie im Bereich kondensierter Materie oder der Biophysik auftreten.
Das gemeinsame Element der verschiedenen Forschungsaktivitäten besteht einerseits in dem Anspruch, die vielfältigen und im einzelnen recht unterschiedlichen physikalischen Phänomene aus fundamentalen Gesetzen abzuleiten und andererseits in der Verwendung und Weiterentwicklung von Methoden, die diese Verbindung herstellen können und einen weiten Anwendungsbereich haben. Beispiele hierfür sind die Renormierungsgruppe, der eine zentrale Rolle bei der Verbindung von fundamentalen Gesetzen mit beobachtbaren physikalischen Phänomenen zukommt und Monte-Carlo-Simulationen, oft das einzige probate Mittel, um ausgehend von mikroskopischen Gegebenheiten zu Aussagen quantitativer Art über makroskopisches Verhalten zu kommen.
Der Schwerpunkt Kosmologie ist insbesonders durch den transregionalen Sonderforschungsbereich "Das Dunkle Universum" vertreten. Das bessere Verständnis von dunkler Materie und dunkler Energie in einem engen Bezug zur Teilchenphysik gilt als zentrales Thema. Andere grundlegende Themen in diesem Umfeld sind die Bedeutung der Inflationsphase in der Entwicklung des Universums und das Verständnis der Phasenübergänge, die sich im Laufe dieser Entwicklung ergeben haben, so zum Beispiel die Bildung der einfachsten Atomkerne aus einem Plasma von Quarks und Gluonen, ein Materiezustand, der detailliert in Schwerionen-Experimenten am LHC des CERN untersucht werden wird.
Die Teilchenphysik - sowohl in phänomenologischer Ausrichtung als auch eher grundlagenbezogen - ist traditionell einer der Schwerpunkte des Instituts. Eine Reihe der Themen, so z.B. die spontane Brechung der elektroschwachen Symmetrie durch den Higgs-Mechanismus, die Supersymmetrie, Extra-Dimensionen oder die Suche nach geeigneten Kandidaten für die dunkle Materie stehen in direkter Verbindung zu den Proton-Proton Experimenten am LHC und sind auch für die Kosmologie von zentraler Bedeutung. Die theoretischen Konzepte reichen von der Stringtheorie als einem einheitlichen Rahmen für Gravitation und Teilchentheorie bis zur Analyse von Quantenfeldern sowohl mit störungstheoretischen als auch mit nicht-störungstheoretischen Methoden, beispielsweise Flussgleichungen.
Ein weiterer Schwerpunkt am Institut ist die Physik komplexer Systeme, insbesondere komplexer Quantensysteme, sowie Systemen aus Materialforschung und Biologie. Quantensysteme, die sowohl für Hochtemperatur-Supraleitung als auch für die Nanotechnologie relevant sind, müssen zunehmend auch außerhalb des thermischen Gleichgewichts betrachtet werden, womit sich ein ganzes neues Betätigungsfeld eröffnet. Die mathematischen Methoden umfassen sowohl exakte analytische Verfahren als auch Simulationsrechnungen. Anwendungen reichen hinein bis in das Gebiet molekularer Netzwerke in biologischen Systemen, deren Komplexität eine besondere Herausforderung darstellt.
Viele Aspekte biologischer Systeme sind klar durch physikalische Prinzipien bestimmt und sind damit einer Analyse durch Begriffe und Methoden der theoretischen Physik zugänglich. Ferner ist davon auszugehen, dass die Evolution der Lebewesen Gebrauch gemacht hat von allen Vorgängen, die sich im Rahmen dieser physikalischen Prinzipien abspielen können. Forschung auf dem Gebiet der Biophysik bietet daher die Aussicht, neue Grenzbereiche in eher traditionellen Forschungsgebieten der Physik erschließen zu können, wie zum Beispiel das Verhalten von Systemen außerhalb des thermischen Gleichgewichts.