18.01.2022
Die Stringtheorie ist ein wichtiger Eckpfeiler des theoretischen Forschungsprogramms am Exzellenzcluster PRISMA+ – und mit Professor Hans Jockers durch einen ausgewiesenen Experten auf dem Gebiet vertreten. Seit Mai 2021 hat der 44-jährige Physiker eine W3 Professur für Mathematische Physik inne.
Es ist das Zusammenspiel von Physik und Mathematik, welches Hans Jockers bereits seit seiner Schulzeit fasziniert: „Diese wunderbare Verbindung finde ich in idealer Weise in der Stringtheorie.“ Sie zieht sich wie ein roter Faden durch seine Forscherkarriere, denn schon seine Masterarbeit 2002 an der Universität Texas in Austin, Texas widmete er diesem theoretischen Modell zur Beschreibung der fundamentalen Kräfte und Teilchen.
Anders als die Quantenfeldtheorie, auf der das Standardmodell der Teilchenphysik basiert, beschreibt die Stringtheorie die Grundbausteine der Materie nicht als punktförmige Teilchen, sondern als räumlich ausgedehnte Objekte. Diese wurden zu Beginn oft als Fäden – „Strings“ – veranschaulicht und gaben der Theorie ihren Namen. Mehr noch: Die Stringtheorie sieht die Existenz einer höherdimensionalen Raumzeit, d.h. mehr als vier Raumzeitdimension, vor. Viele moderne Entwicklungen in der Theoretischen Hochenergiephysik, die auch in Mainz ein Schwerpunkt der teilchenphysikalischen Grundlagenforschung ist, haben einen Bezug zur Stringtheorie.
Um in der Stringtheorie den Bezug zur quantenfeldtheoretischen Beschreibung der Teilchenphysik in den bekannten vier Raumzeitdimensionen herzustellen, müssen die Physikerinnen und Physiker sogenannte Kompaktifizierungen betrachten: Dabei werden die Extradimensionen der Stringtheorie zu einer kompakten Einheit zusammengefasst, deren räumliche Ausdehnung so klein ist, dass sie mit den experimentell zur Verfügung stehenden (niedrigeren) Energien nicht direkt beobachtet werden können. Jedoch legen die kompakten Extradimensionen die phänomenologischen Eigenschaften der Teilchen in der effektiven vierdimensionalen Theorie fest. „Während meiner verschiedenen Forschungsstationen habe ich mich teils auf diesen phänomenologisch geprägten Ansatz fokussiert, um mich dann wieder auf die rein mathematische Beschreibung der Stringtheorie zu konzentrieren“, erläutert Hans Jockers und ergänzt: „Denn ich finde es sehr spannend, auf der einen Seite aus einer mathematischen Beschreibung heraus physikalische Vorhersagen abzuleiten und auf der anderen Seite physikalische Effekte auf die Ebene der Mathematik zu übertragen.“
Die Bedeutung der Stringtheorie hat sich in seinen Augen in den letzten Jahren zunehmend gewandelt: Ursprünglich mit dem Ziel entwickelt, eine neue Weltformel durch die Bestimmung der geometrischen Eigenschaften der Extradimensionen herzuleiten und damit das unvollständige Standardmodell abzulösen, bietet die Stringtheorie heute „einen sehr guten Rahmen, um die Gravitation und die Teilchenphysik einheitlich, also quantenmechanisch zu beschreiben.“ So kann die Stringtheorie heute Aussagen treffen, ob bestimmte Erweiterungen des Standardmodells mit der Gravitationswechselwirkung vereinbar sind und somit bei sehr hohen Energieskalen noch konsistente Modelle der Teilchenphysik darstellen.
Denn während drei der vier beobachteten Grundkräfte sich mittels der Quantenfeldtheorie schon lange einheitlich beschreiben lassen, beinhaltet die Stringtheorie auch die Gravitationswechselwirkung, also die vierte Kraft. „In diesem Sinne hat die moderne Stringtheorie heute alle Zutaten zu bieten, die es braucht, um sehr viele Phänomene in der Natur zu beschreiben“, formuliert Hans Jockers.
Am Forschungsstandort Mainz schätzt er insbesondere, dass dieser in der Physik unter dem Dach des Clusters PRISMA+ theoretisch wie experimentell sehr gut und breit aufgestellt ist und spannende Themen und Schwerpunkte in der Mathematik zu bieten hat. Vor allem findet er hier aufs Neue die ideale Schnittstelle von Mathematik und Physik, die ihn schon seit seinem Studium begleitet und nicht mehr losgelassen hat. „Das macht Mainz für mich zu einem der spannendsten Orte bundesweit, um meine Forschungen voranzutreiben.“