\chapter{Theoretische Physik}

\section{Die Anfänge}

% letzte aenderung 9.10.08
Die Geschichte der Theoriegruppe beginnt mit Harry Lehmann, Professor
für theoretische Physik an der Universität Hamburg seit 1956. Er begleitete
den Weg von DESY von Anfang an und vermittelte den Neulingen erste
Kenntnisse auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik. Mit dem
Aufbau der experimentellen Forschung ging der Aufbau
der Theoriegruppen beim DESY und an der Universität Hamburg Hand in
Hand. Von Beginn an bestand eine enge Zusammenarbeit zwischen den
beiden Gruppen. Durch den Bau eines weiteren Gebäudes auf dem DESY-Gelände 
gegenüber dem
Laborgebäude konnten 1972 die Theoretiker der Universität und die von 
DESY unter einem Dach 
zusammengebracht werden. \index{Lehmann}\index{Theorie} 

Der Schaffung von Stellen für sogenannte \glq{}Leitende Wissenschaftler\grq{} durch
Jentschke war es zu verdanken, dass DESY erstklassige Wissenschaftler berufen
konnte. Als erste kamen 1963  Hans Joos
 und 1968 Kurt Symanzik \index{Joos, H}\index{Symanzik}
nach Hamburg. Symanzik war einer der drei Autoren von
LSZ, eine Abkürzung für Lehmann, Symanzik und Zimmermann, auf die eine
Reihe berühmter Arbeiten zu den Grundlagen der Quantenfeldtheorie 
zurückging.
Die Universität stand nicht zurück und berief Wissenschaftler
wie Rudolf Haag, Gerhard Mack und Gustav Kramer (1961). \index{Haag} 
\index{Mack}\index{Kramer} 

Die Arbeit der Theoretiker hatte zwei Schwerpunkte. Der eine, geknüpft
an  Namen wie Haag, Lehmann und Symanzik betraf die Arbeit an 
Grundproblemen der Quantenfeldtheorie. Auf der anderen Seite
gab es die mehr phänomenologisch orientierten Theoretiker. Sie waren
Gesprächspartner und Tutoren der Experimentalphysiker. 
 Sie arbeiteten vornehmlich an Themen,
die in mehr oder weniger direktem Zusammenhang mit den aktuellen
Problemen der Teilchenphysik standen: Reggepole, Quarkmodell, Diffraktion, 
Vektormeson-Dominanz, 
Strahlungskorrekturen, statistisches Modell; dazu kam später vor allem die 
QCD-Störungsrechnung und die Phänomenologie der schweren Quarks. 

Einige Theoretiker wurden später an Universitäten außerhalb Hamburgs 
berufen,  und sie verbreiterten so die Basis der 
theoretischen Arbeit über Themen, die für die Forschung am DESY wichtig 
waren.

\section{Die Periode der Forschung am Synchrotron}

Unmittelbar zum Beginn der experimentellen Arbeiten am DESY 1964 erschienen 
auch entsprechende
Arbeiten der Hamburger Theoretiker. Die ersten Artikel
von H.~Joos, G. Kramer und P. Stichel befassten sich mit der Photoproduktion
von Mesonen, wobei Arbeiten von Kramer und Stichel Regge-Pole und
Pion-Produktion mit polarisierten Photonen behandelten. Dies war eine
wichtige Unterstützung für die Gruppe F35, die später mit diesem Thema
den Physikpreis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft gewinnen sollte. Die
theoretischen Arbeiten \index{Kramer} 
 lieferten wichtige Einsichten für die Deutung
 der Messungen \cite{Sti64,Kra66,Bla69,Blaa9}. \addbigparskip 

In den Jahren 1965--68 erschienen Arbeiten zu Strahlungskorrekturen 
von 
R. D. Kohaupt\cite{Koh66}, \index{Kohaupt}\index{Strahlungskorrekturen} 
später ergänzt durch die 
Behandlung der höheren
Näherungen durch Exponentiation. Dies war ein unverzichtbares Werkzeug 
für die Auswertung aller Experimente zur elastischen und unelastischen 
Elektron-Proton-Streuung. 

Ein wichtiges Modell zum Verständnis der Photoproduktion war das
sogenannte Vektormeson-Dominanz-Modell\index{Vektormeson-Dominanz}.  Erste
Arbeiten  dazu von G. Kramer und H. Joos betrafen die Photoproduktion 
von Vektormesonen \cite{Kra66,Joo67}, ein Gebiet, welches seine 
Entsprechung in 
einem sehr aktiven experimentellen Programm hatte. 
So erschienen in Hamburg viele Arbeiten zu diesem Thema von Autoren wie
H. Fraas und D. Schildknecht, Margarete Krammer, Helen Quinn und Tom F. Walsh.
 Die zwei letzteren waren Amerikaner, die später in den USA Karriere machen 
sollten. Zu erwähnen ist noch die Erweiterung des Modells zu
Vektormesonen höherer Masse durch J. J. Sakurai und D.~Schildknecht 
(generalisierte Vektormeson-Dominanz \cite{Sak72,Saka72}).\index{Schildknecht}\index{Krammer}\index{Quinn}\index{Walsh}  \addbigparskip

Ein weiteres Thema war
das statistische Modell der Teilchenerzeugung, wobei H.~Satz\index{Satz} mit 
einer Reihe von Arbeiten hervortrat \cite{Sa67,Sak67}.

 Die Hamburger Theoretiker fanden bald internationale Anerkennung.
Ein Zeichen dafür waren Einladungen als Sprecher bei internationalen 
Konferenzen, z.\,B. bei der \glq{}Heidelberg International Conference on Elementary
 Particles\grq{} 1967 oder der \glq{}Conference on
Electron-Photon Interactions\grq{} in Liverpool 1969. \addbigparskip

Das Ansehen der Theoriegruppe zog auch bekannte ausländische Theoretiker als
Gäste an, darunter D. R. Yennie, L. Stodolsky, Helen Quinn, S. Gasiorowicz,
A. Dar, H. Cheng und T. T. Wu.


\section{Die Periode von DORIS und PETRA -- der Weg zum Standardmodell}
\index{Zerwas}\index{gamma-gammma Wechselwirkung}

Klassische Arbeiten von T. F. Walsh und P. Zerwas 
waren Pionierleistungen, welche das Gebiet der $\gamma \gamma$- und 
$\gamma$-Elektron-Kollisionen erschlossen \cite{Wal71,Wal72}.
Es ist interessant, den Einbruch des Quarkmodells in die Welt der
Physiker und damit verbunden das
Interesse an der Physik mit Elektron-Positron-Speicherringen im Denken
der Theoretiker zu verfolgen. Noch 1971 beschäftigte sich eine Arbeit
von G. Kramer, J.~Uretsky und T. F. Walsh \cite{Kra71} mit der Berechnung des 
Wirkungsquerschnitts für die Annihilation von Elektronen und Positronen
 in Hadronen ohne die magische Formel
$e^{+}e^{-}\to$ Quark-Antiquark. Andererseits nahmen M. Böhm, H. Joos und 
M. Krammer 1972 bereits die Quarks ernst genug, um ihnen eine Arbeit über das
 relativistische Quarkmodell zu widmen \cite{Boe72}. \addbigparskip

Der zweifellos bedeutendste theoretische Beitrag kam von Kurt Symanzik, der 
leider 1983 viel zu früh verstarb. Dabei ging es um ein wichtiges
grundsätzliches Problem der QCD, nämlich das
 Verständnis von \glq{}Confinement\grq{}. Dies ist die
rätselhafte Tatsache, dass Quarks anscheinend nie als freie Teilchen
auftreten; sie werden offensichtlich durch sehr starke Kräfte langer 
Reichweite aneinander gekettet, während sie sich bei kurzen Abständen fast 
 kräftefrei bewegen. \index{Callan-Symanzik-Gleichungen}\index{Symanzik}
  
Die theoretische Erklärung dieses Phänomens   
 gelang den amerikanischen Theoretikern Gross, Wilczek und Politzer 
1973, die dafür den Nobelpreis erhielten. Sie basierte auf den 
Callan-Symanzik-Gleichungen 
\cite{Cal70}. Liest man Bemerkungen von Symanzik über
\glq{}Fortschritte in der Renormierungstheorie\grq{} auf einer Konferenz in
Marseille 1972 \cite{Syma72,Syma73}, dann kann man spekulieren, dass die
 \glq{}asymptotische Freiheit\grq{},
diese zentral wichtige Eigenschaft der QCD, vielleicht einige Jahre früher 
entdeckt worden wäre, wenn diese Bemerkungen zusammen mit den 
Callan-Symanzik-Gleichungen sofort und konsequent weiterverfolgt worden 
wären. \addbigparskip

Mit den spektakulären experimentellen Entdeckungen im
November 1974 begann der Siegeszug des Standardmodells und dies führte in der 
DESY-Theorie, wie auch an anderen Stellen, zu einer radikalen Neuorientierung. 
Im Zentrum des Interesses stand naturgemäß die Aufklärung
des Wesens der an den Speicherringen entdeckten scharfen Resonanzen. 
Prominent unter den Autoren, die sich nun mit $e^{+}e^{-}$-Physik 
beschäftigten,
waren unter anderem T. F. Walsh, G. Kramer, A. Ali, Margarete Krammer, H. 
Krasemann und
 P. Zerwas \cite{Kra78,Ali80,Al180}. \index{Ali} 
\index{Krasemann}  \addbigparskip 

Einen Schwerpunkt bildete das Studium der
gebundenen Zustände aus schweren Quarks, der sogenannten 
Quarkonium-Zustände. Eine Zusammenfassung der Erkenntnisse erschien in
Artikeln von M. Krammer und H. Krasemann \cite{KrK79}. Nach der Entdeckung der
$\Upsilon$-Resonanz war die Physik solcher Quarkonium-Zustände ab 1978 ein
weiteres Thema. Eine besondere Erwähnung verdient in diesem Zusammenhang eine
Arbeit von H. Krasemann und K. Koller \cite{Kra79}, welche die Daten 
des PLUTO-Detektors auf der $\Upsilon$-Resonanz als Hinweis
auf den Spin 1 des Gluons interpretierten.
 Weitere wichtige Analysen widmeten sich den im DASP-Experiment entdeckten
 Charm-Zerfällen und den Zerfällen 
des neu entdeckten $\tau$-Leptons. \index{Gluon Spin}  \addbigparskip

Die Entdeckung der Gluon-Bremsstrahlung 1979 an PETRA war begleitet von einer
starken  Aktivität auf theoretischem Gebiet, welche sich mit den 
Voraussagen der QCD
über die Erzeugung von Teilchenschauern (\glq{}Jets\grq{}) durch Quarks und Gluonen
 in dem von PETRA erschlossenen
Energiebereich beschäftigte.
 Diese Arbeiten waren unentbehrlich für die Erschließung des
 durch PETRA zugänglichen Gebiets der Quark- und Gluonphysik. Sie
erlaubten eine quantitative Deutung der Phänomene der Gluonbremsstrahlung
und zeigten den Weg für eine neue genaue Messung der starken 
Kopplungskonstanten.  \index{QCD Test}

 Eine klassische Arbeit war \glq{}Hoyer et al.\grq{}
von Hoyer, Osland, Sander, Walsh und Zerwas \cite{Hoy79}, welche neben
\glq{}Ali et al.\grq{} den Grundstein
für die Monte-Carlo Simulation von Elektron-Positron-Kollisionen legte,
das zentrale theoretische Werkzeug zur Analyse der experimentellen Daten.
Eine oft zitierte Arbeit war
\glq{}Ali et al.\grq{}~\cite{Ali80}. Diese Arbeit war für die Deutung der Messungen 
besonders wichtig, weil sie auch die Effekte der neuentdeckten schweren Quarks
bereits berücksichtigte. \index{Ali}
 Ab
1980 begannen auch die Arbeiten an den höheren Näherungen der QCD durch
A. Ali und durch G. Kramer und seine Schule. Diese sehr 
aufwändigen Rechnungen waren Vorbedingung für eine Reihe genauer
Überprüfungen der QCD. \addbigparskip

Weit vorausschauend waren Arbeiten über die Gluon-Gluon-Winkelkorrelationen
in Reaktionen mit zwei Gluonjets, welche einen direkten Nachweis der 
Gluon-Gluon-Wechselwirkung liefern können, eine wichtige Voraussage der
QCD \cite{Al180}. Diese schwierige Messung 
blieb allerdings den späteren Experimenten bei höherer Energie am 
LEP-Speicherring am CERN vorbehalten. 

Unentbehrlich für alle diese Untersuchungen war die Berücksichtigung der 
Strahlungskorrekturen. Da das Elektron
durch Bremsstrahlung Gammaquanten emittiert, die im allgemeinen nicht gemessen 
werden 
können, müssen die Messungen auf diesen Effekt  korrigiert werden.
Von F. Berends und R. Kleiss erschienen dazu 1980 die ersten 
Arbeiten. Später war das Arbeitspferd das Monte Carlo Programm
HERACLES von Kwiatkowski, Spiesberger und Möh\-ring~\cite{Kw92}. Keine 
Analyse der HERA-Daten kam ohne dieses Programm aus.
 \index{Strahlungskorrekturen}  \addbigparskip

Die Fülle wichtiger Arbeiten, die in dieser Periode in enger Zusammenarbeit
zwischen den Kollegen der Universität Hamburg und den DESY-Theoretikern 
entstanden, verschafften ihnen ein zunehmendes Ansehen. Es war ein Zentrum
entstanden, welches eine starke Anziehungskraft ausübte. So nennt der
Jahresbericht 1979 eine Zahl von 24 auswärtigen Gästen, die Wesentliches
zur wissenschaftlichen Atmosphäre und zur Arbeit beitrugen. \addbigparskip

Auch in der Folgezeit bildeten Untersuchungen der phänomenologischen 
Konsequenzen des zunehmend immer besser verifizierten Standardmodells und darüber hinausweisender 
theoretischer Vorstellungen, die an den gegenwärtigen oder 
zukünftigen Speicherringen wie DORIS, PETRA, HERA oder LEP getestet 
werden konnten, einen der Schwerpunkte der theoretischen Arbeiten bei DESY. 
Hier bestand ein enger Austausch 
mit den Experimentalphysikern, die bei PETRA und DORIS arbeiteten. 
Für viele der experimentellen Untersuchungen erwiesen sich 
begleitende theoretische Arbeiten und Rechnungen als geradezu 
unerlässlich. Insbesondere die Arbeiten der PETRA-Experimentatoren 
über QCD und Jets, die Bestimmung der starken Kopplungskonstante \textit{\ensuremath{\alpha}}$_{s}$ 
sowie die Suche nach Anzeichen für Phänomene qualitativ neuer 
Art wie etwa die Supersymmetrie wurden in engem Zusammenwirken 
mit der Theorie unternommen. Das Gleiche galt 
für Arbeiten über die Eigenschaften und schwachen Zerfälle 
der Quarks. 

\section{Die Gittereichtheorie}

Für die Gleichungen der Quantenchromodynamik (QCD) besitzt man bis zum 
heutigen Tage 
keine exakten Lösungen, so dass man zu Näherungsverfahren greifen muss, um
echte physikalische Probleme zu bearbeiten. Für große Werte der invarianten 
Energieskala sind in vielen Fällen Näherungslösungen möglich
 durch eine Entwicklung
nach Potenzen der QCD-Kopplungskonstanten. Diese Methode der Störungstheorie
 ist aber in Fällen
nicht anwendbar, bei denen die Fragestellung nicht durch eine große 
Energieskala bestimmt ist. 

Hierfür kam ab 1974 eine wichtige
Methode zu Hilfe, die Gittereichtheorie. Sie wurde durch eine Idee von
K. G. Wilson,  Professor an der Cornell-Universität, erschlossen 
\cite{Wil74}. \index{Gittereichtheorie}
Hier wird das kontinuierliche vierdimensionale Raum-Zeit-Kontinuum durch ein 
vierdimensionales Gitter von Raum-Zeit-Punkten ersetzt, auf denen die
QCD-Gleichungen mit Monte-Carlo-Methoden gelöst werden. Im Rahmen der mit
diesem Verfahren verbundenen Näherungen können zahlreiche wichtige Probleme
in Bereichen bearbeitet werden, wo die QCD-Kopplungskonstante groß ist. Dazu
gehören z.\,B. die Berechnung von Hadronmassen wie der des Protons, 
Zerfallsraten von Hadronen, Strukturfunktionen und Kopplungskonstanten. 
Allerdings glaubte
Wilson zunächst, dass die Methode wegen der großen Ansprüche an 
Rechenzeit nicht praktikabel sein würde. Als es doch jemand versuchte 
(M. Creutz,1979),
war das Ergebnis über alle Erwartungen erfolgversprechend. Das stellte
sich später als uncharakteristischer Glücksfall heraus, ermutigte aber 
Viele, diese Methode weiter zu verfolgen. \addbigparskip

Auch in Hamburg wurde dieser Weg  erfolgreich beschritten.
 Der DESY-Theoretiker K. Symanzik hatte grundlegende 
Beiträge geleistet; ihm folgten unter anderen Martin Lüscher sowie F. 
Gutbrod,
 G. Mack, I. Montvay, G. Münster, G. Schierholz und P.~Weisz; 
erste Publikationen erschienen 1980 \cite{Mack80,Mue80}. 
\index{Luscher@Lüscher} 

Wilson hatte zwar im Prinzip recht gehabt, war doch die benötigte 
Rechenleistung in der Tat enorm.
Die verfügbare Rechenkapazität wuchs aber dank der Fortschritte im Bau neuer Rechner rasch. Um daran teilzuhaben, wurde von DESY-Seite 1985 eine Initiative gemeinsam mit Wissenschaftlern anderer Institute und Fachgebiete angestoßen, welche die Einrichtung eines Höchstleistungs-Rechenzentrums (HLRZ) in der Bundesrepublik 
zum Ziel hatte. Es sollte sowohl für die Physik der Elementarteilchen als auch der Festkörper neue Chancen eröffnen. \addbigparskip

Federführend bei dieser interdisziplinären Initiative war Roberto Peccei, 
der 1984 vom Max-Planck-Institut in München als Leitender Wissenschaftler 
zum DESY gekommen war und die Leitung der Theoriegruppe übernommen 
hatte. Da DESYs Resourcen durch den HERA-Bau vollständig in Anspruch genommen 
waren, wurde das HLRZ bei der KFA Jülich angesiedelt. Durch 
seine hervorragende Rechnerausstattung sollte es schnell zu einer 
unverzichtbaren Plattform für die Gittereichtheorie werden; bereits 1987 
konnte ein  Supercomputer CRAY-XMP48 in Betrieb genommen werden.
\index{Peccei}  \index{HLRZ}

 Eine Gruppe von Elementarteilchen-Theoretikern größtenteils aus dem DESY, 
deren Sprecher Fritz Gutbrod war, siedelte nach Jülich über und 
konnte das HLRZ sehr intensiv nutzen. Neben der QCD, etwa für die Berechnung von Hadronmassen, der QCD-Kopplungskonstanten und der Strukturfunktionen, galt dabei auch dem Higgs-Sektor des Standardmodells der elektroschwachen 
Wechselwirkung ein besonderes Interesse. 


\section{Die HERA-Periode}

Die Berufung von Peccei führte auch sonst zu neuen Impulsen 
und einer bedeutenden Verbreiterung des Interessenspektrums in der 
DESY-Theorie, 
das sich jetzt bis hin zu Fragen aus dem Grenzbereich zur Kosmologie 
erstreckte. Einen besonderen Schwerpunkt bildete selbstverständlich 
die zukünftige Physik mit HERA; auf diesem Sektor entfaltete 
neben Peccei insbesondere der ebenfalls aus München zu DESY 
gekommene Reinhold Rückl \index{Ruckl@Rückl} eine nachhaltige und 
fruchtbare Aktivität, 
durch welche das Interesse an der HERA-Physik stark gefördert 
wurde und aus der wichtige Anregungen entstanden. Die Arbeiten 
der ARGUS-Kollaboration über $B$-Mesonen-Zerfälle und 
$B^{0} $--$\bar{B} ^{0} $-Übergänge profitierten von einer engen Begleitung 
und Unterstützung durch theoretische Untersuchungen insbesondere durch Ahmed 
Ali. \addbigparskip

Im Jahr 1987 fanden sich im Rahmen eines von Peccei organisierten, speziell auf die HERA-Physik konzentrierten Workshops nahezu 200 Theoretiker und Experimentalphysiker für viele Monate in zahlreichen Arbeitsgruppen zusammen, um 
einen möglichst weiten Bereich von Aspekten der hochenergetischen 
Elektron-Proton-Wechselwirkungen theoretisch zu untersuchen und 
die Möglichkeiten für Experimente abzuklären. Hieraus ergaben 
sich viele neue Ideen und Gesichtspunkte für die spätere Durchführung 
der Experimente mit HERA \cite{HERA88}. \addbigparskip

Das Programm in der theoretischen Elementarteilchenphysik konnte 
trotz der kleinen Zahl der DESY-Theoretiker vielseitig und lebendig 
sein, weil DESY ausgezeichnete Postdocs sowie zahlreiche wissenschaftliche 
Besucher, Gäste und Stipendiaten zur zeitweisen Mitarbeit anzuziehen 
vermochte. Hinzu kam eine weiterhin enge und fruchtbare Zusammenarbeit 
mit dem II. Institut für Theoretische Physik der Universität 
Hamburg -- namentlich mit Gustav Kramer, Jochen Bartels und ihren 
Mitarbeitern 
-- und mit der Gruppe Elementarteilchen-Theorie an der Universität 
Hannover unter Wilfried Buchmüller. \addbigparskip

Eine sehr nutzbringende Gelegenheit für intensive Diskussion 
und Zusammenarbeit zwischen einheimischen und auswärtigen Theoretikern, 
sowie zwischen Theoretikern und Experimentalphysikern, bot ein 
jährlich bei DESY durchgeführter internationaler Theorie-Workshop, 
dessen wechselndes Thema jeweils an die aktuelle Situation der 
Teilchenphysik angepasst war und der jedesmal von einem anderen Theoretiker 
einer deutschen Hochschule gemeinsam mit der DESY-Theoriegruppe 
organisiert wurde. \addbigparskip

Nachdem Peccei einen Ruf an die University of California 
angenommen hatte, konnte 1990 Wilfried Buchmüller von der  
Universität Hannover als Leitender Wissenschaftler und neuer 
Leiter der DESY-Theorie\-gruppe gewonnen werden. \index{Buchmüller}  \addbigparskip

Im Jahr 1991 rückten mit der Inbetriebnahme von HERA naturgemäß Fragen 
der HERA-Physik noch stärker in den Fokus des Interesses. Sie 
wurden erneut im Rahmen von Arbeitsgruppen gemeinsam mit den Experimentatoren 
 eingehend diskutiert \cite{HERA92} und blieben über die ganze 
Laufzeit von HERA einer der Schwerpunkte der phänomenologischen Arbeiten der 
Theoriegruppe\footnote{Ab 1992 kam auch die Theoriegruppe von DESY-Zeuthen
 hinzu, siehe Kapitel 14.}. Wichtige Untersuchungsgegenstände waren die 
Strukturfunktionen 
des Protons und des Photons, die Eigenschaften und Struktur des \glq{}Pomerons\grq{}, das die diffraktiven Prozesse beschreibt, und die Erzeugung 
von Jets in tief unelastischen Elektron-Proton-Streuprozessen. \addbigparskip

Einen Schwerpunkt bildete die Überprüfung der Aussagen der 
perturbativen QCD, wofür der HERA-Speicherring wegen
der großen Energieskala bei der unelastischen Elektron-Proton-Streuung 
 ein ideales Labor bot. Viele verschiedene Prozesse wurden in großem Detail 
untersucht, wohl eine der umfassendsten Überprüfungen der QCD überhaupt.
Hierbei kam der Theoriegruppe eine Schlüsselrolle zu. Wegen der
 großen Genauigkeit der Messungen waren in der Regel
Rechnungen in der perturbativen QCD in höheren Ordnungen (NLO und NNLO, next 
to next to leading order in ln $Q^2$) notwendig. Dies sind extrem 
aufwändige Rechnungen, welche Zehntausende von Feynman-Diagrammen 
beinhalten. \index{QCD, perturbative}
Auch als Gesprächspartner für die Experimentatoren waren die Theoretiker
gefragt, da die Details der Theorie recht verzwickt sein können. 

Einen unverzichtbaren Beitrag zu diesen Untersuchungen stellen Monte
Carlo-Programme dar, durch welche die verschiedenen Prozesse simuliert werden,
was überhaupt erst den Vergleich der Daten mit den Voraussagen der Theorie
ermöglicht.  Einige dieser Programme, von Besuchern und Mitgliedern der
Theoriegruppe
erstellt, haben Berühmtheit erlangt. \addbigparskip
\index{Monte Carlo Programm}

Einige besonders interessante Aspekte der Physik sollen hier genannt 
werden.
Da sind z.\,B. die bei HERA erstmals beobachteten diffraktiven 
tief unelastischen Streuprozesse. Sie werfen wichtige Fragen auf und 
gaben Anregungen zu zahlreichen Arbeiten der Hamburger Theoretiker und ihrer 
wissenschaftlichen Gäste.  Von besonderem Interesse war auch das Verhalten 
der Dichte der Quarks und Gluonen im Proton bei sehr kleinen \textit{x}-Werten, 
das möglicherweise einer Sättigung zustrebt, wenn die Quarks und Gluonen bei hohen Teilchendichten rekombinieren. In beiden Fällen handelt es sich um physikalisches Neuland, in dem die QCD noch weitgehend unerforscht ist. \addbigparskip

Große Beachtung fand auch die Vorhersage des Standardmodells, dass  
nicht-störungstheoretische Effekte zu großen Wirkungsquerschnitten und 
hohen Multiplizitäten für bestimmte elektroschwache Prozesse bei sehr hohen 
Energien führen könnten; ein entsprechender Effekt in der QCD (Instantonen,
die aus dem unendlichfach entarteten QCD-Vakuum in unsere Welt herüberlecken)
wurde für kleinere, mit HERA zugängliche Energien vorausgesagt 
\cite{Schrpp98}. Allerdings war 
der Effekt zu schwach für einen einwandfreien experimentellen Nachweis. \addbigparskip 

Einen wichtigen Beitrag leistete die Theoriegruppe nicht nur für die Planung,
 sondern auch bei der 
Weiterentwicklung der Arbeit mit dem HERA-Speicherring. Dazu fand 1995/96 ein
Workshop statt, an dem sich viele Theoretiker aktiv beteiligten~\cite{HERA95}.
\addbigparskip


Auf dem Gebiet der Gittereichrechnungen hatte sich inzwischen 
durch die Aufnahme der Zusammenarbeit mit der Universität Rom 
an dem APE-Projekt eine neue Situation ergeben. Dies war durch die Vermittlung
von M. Lüscher zustande gekommen und ist im Kapitel über Zeuthen 
eingehender ausgeführt. Hier sei nur erwähnt, dass 1994 mit der
Installation der ersten zwei Alenia QH2-Rechner, einer industriellen 
Umsetzung des APE-Konzepts, in Zeuthen eine beträchtliche Erweiterung der 
DESY zur Verfügung stehenden Rechnerleistung erfolgte. Gleichzeitig wurde 
gemeinsam mit dem INFN die nächste APE-Generation, der Parallelrechner 
APE1000 entwickelt; er konnte im Jahr 2000 in Betrieb genommen werden. Daran 
schloss sich später noch eine weitere Generation, apeNEXT an -- 
eine gemeinsame Entwicklung mit dem INFN und der Universität Paris-S\'{u}d, 
um Rechenleistungen im Teraflops-Bereich zu realisieren. \index{APE-Rechner}  \addbigparskip

Das HLRZ in Jülich wurde 1998 neu strukturiert und erhielt nun den Namen 
\glqq{}John von Neumann-Institut für Computing\grqq{} (NIC). Zu den zahlreichen 
Themen, die im Rahmen der Gittereichtheorien behandelt wurden, 
gehörten die Skalenabhängigkeit der starken Kopplungskonstante 
\ensuremath{\alpha}$_{s}$ der QCD, die Masse des Higgsbosons und die 
Spin\-ab\-hän\-gig\-keit 
der Proton-Strukturfunktion. Auch methodische Untersuchungen 
und die Entwicklung effizienter Algorithmen wurden weiter verfolgt. \addbigparskip

Im Laufe der 90er Jahre rückten Untersuchungen zur Physik mit 
einem zukünftigen \textit{e}$^{\mathit{+}}$\textit{e}$^{\mathit{-}}
$-Linearcollider zunehmend 
in das Zentrum des Interesses. Hierbei spielte Peter 
Zerwas\index{Zerwas}, der von der RWTH Aachen kommend nun bei DESY als 
leitender 
Wissenschaftler tätig war, eine führende Rolle. Die Paarerzeugung 
des top-Quarks und die präzise Bestimmung seiner Masse, die 
Suche nach Higgsteilchen und nach Evidenz für die Supersymmetrie 
gehören zu den zentralen Themen des Physikprogramms für einen 
zukünftigen Linearcollider im TeV-Bereich. \addbigparskip

%\begin{figure}[ht]%
%\begin{center}
%\includegraphics[width=7cm]{bilder/nnl327.pdf}%
%\caption[NNLO]{Eine Seite aus einer Publikation \cite{Ver05} zur Berechnung
%   der höheren Ordnungen der QCD für die tief unelastische Streuung.
%   Die Publikation enthält 88 solche Seiten.}%
%\label{fig-nnlo}%
%\end{center}
%\end{figure}


In der Physik der schweren Quarks, einem wichtigen Arbeitsgebiet der 
experimentellen Gruppen
am DESY, hatte die Theoriegruppe eine gute Reputation erworben. Der 
Schwerpunkt der Arbeiten konzentrierte sich nun auf Aspekte der Physik der
$B$\nobreakdash-Mesonen, welche durch die $B$-Fabriken am SLAC und am KEK einen großen
Auftrieb erhielten. Diese Speicherringe hoher Luminosität, welche 2001 in 
Gang kamen, erzeugten
viele Millionen von $B$-Mesonen. Damit wurde eine ganz neue Kategorie von
Tests des Standardmodells eröffnet. Die theoretischen Arbeiten am DESY 
befassten sich deshalb
mit der Frage, wie man anhand dieser neuen Möglichkeiten mit Hilfe von
Zerfällen von $B$-Mesonen zu aussagekräftigen Tests kommen könnte. 
Allerdings widerstand das Standardmodell in der Folge allen Versuchen, es zu 
widerlegen. \addbigparskip 

Auch die Zukunft ist wichtig. Für die Erarbeitung des \glq{}Technical Design 
Report\grq{}, der
ein Paar kollidierender Linearbeschleuniger (\glq{}TESLA linear collider\grq{}) als das 
zukünftige Projekt des DESY beschreiben sollte, trugen die Theoriegruppen
zur physikalischen Begründung und der Ausarbeitung der
Forschungsmöglichkeiten bei. Das Potential des TESLA-Linearcolliders und des 
LHC am CERN für die Erforschung der erwarteten neuen Welt
der Higgs- und supersymmetrischen Teilchen war Gegenstand vieler detaillierter
und vergleichender Untersuchungen.  \addbigparskip
\index{TESLA Linearcollider}


Weitere Arbeiten der Gruppe Theorie befassten sich mit Aspekten der 
elektroschwachen Wechselwirkung, ihren Strahlungskorrekturen und dem Verhalten 
bei hohen Temperaturen; ferner mit dem Higgs-Mechanismus, mit 
den Neutrinomassen und ihrer Rolle in der Kosmologie sowie mit 
supersymmetrischen Theorien. \addbigparskip

Vor allem die
 großen Fortschritte in der Kosmologie machten es immer deutlicher, dass
Hochenergiephysik und Kosmologie viele Berührungspunkte haben. So war
es folgerichtig, dass sich die Theoriegruppe unter dem Einfluss von
Peccei \index{Peccei} in starkem Masse 
kosmologischen Fragen zuwandte. Damit spielte sie in Deutschland eine Art von
Vorreiterrolle, und in der Folgezeit wurden viele der jungen Pioniere auf
Lehrstühle außerhalb Hamburgs berufen, so D. Bödeker, Z. Fodor, A. 
Hebecker, O.~Philipsen und C. Wetterich. 
  
 Ein großes Thema war die Entstehung der 
Baryonasymmetrie im Weltall: Nach unserem heutigen Verständnis vom 
Ursprung des Weltalls, dem kosmologischen Standardmodell, war die Welt
anfänglich symmetrisch bezüglich Materie und Antimaterie. Im weiteren
Verlauf der Geschichte annihilierten sich Materie und Antimaterie gegenseitig, 
und nur ein
kleiner Rest von Materie blieb übrig, aus dem die Erde
und die anderen Himmelskörper bestehen. 

Wie kann man das erklären? Die
allgemeinen Bedingungen dafür, dass überhaupt Materie überlebt, hatte
schon A. D. Sakharov 1967 formuliert. Die quantitativen Details zu klären
stellte sich aber als sehr schwierig heraus. Ein wichtiger Besucher bei DESY
 war 1986
T. Yamagida, der kurz zuvor mit M. Fukugita eine bahnbrechende Arbeit zu 
diesem 
Thema publiziert hatte -- mehr als 1000 Zitate~\cite{Fuk86}! In dieser Arbeit 
zur Leptogenese
verknüpften die Autoren Baryon- und Leptonerhaltung. Bei DESY traten vor 
allem 
W. Buchmüller und seine Gruppe mit Arbeiten hervor, welche dieses Thema
aufgriffen und in bedeutenden Beiträgen mit der Neutrinophysik
verknüpften. Unter anderem leiteten sie Massengrenzen für die Neutrinos 
her, bereits vor der Entdeckung der 
Neutrino-Oszillationen~\cite{Bu96,Buch}.
Andere Arbeiten befassten sich mit der rätselhaften kosmologischen
Konstanten und brachten eine Quintessenz genannte
Alternative ins Spiel \cite{Wett88}. \addbigparskip
\index{Kosmologie}\index{Buchmüller}
\index{Quintessenz}

 Auch so grundsätzliche Fragen wie die Vereinigung von
Gravitations- und Quantentheorie und das große moderne Gebiet der 
Stringtheorien gehören zu den aktuellen Themen der theoretischen Physik. 
Hier lieferten \index{Stringtheorie}
die Hamburger Theoretiker ebenfalls Beiträge, aber der Durchbruch
blieb ihnen, wie auch der übrigen Theoretikergemeinde, bis jetzt 
versagt.\footnote{Und dann gab es noch andere Arbeiten, wie etwa: \glq{}On the 
Compatibility Between
Physics and Intelligent Organisms\grq{} von J. C. Collins~\cite{Col01}. 
Ausgangspunkt ist ein Theorem
von Penrose \cite{Pen94}, wonach es unmöglich ist, ein Rechnerprogramm zu 
schreiben, welches das Halte-Theorem der Informatik beweist. Der Mensch kann
das aber sehr wohl beweisen. Daraus zieht Penrose den Schluss, dass der
Mensch intellektuelle Fähigkeiten hat, die denen eines Rechners 
grundsätzlich überlegen sind, und er sollte dieselben stärker einsetzen,
um die Physik zu verstehen. Aber J.C. Collins brach eine Lanze für die
Maschine. Das bringt einen direkt ins Grübeln. \index{Halte-Theorem}}  \addbigparskip

Für besondere Leistungen auf dem Gebiet der theoretischen Physik verleiht
die Deutsche Physikalische Gesellschaft jährlich ihre Max-Planck-Medaille.
Dreimal wurden mit DESY verbundene Theoretiker mit dieser bedeutenden
Auszeichnung geehrt: Harry Lehmann (1967), Kurt Symanzik (1981), und Martin
Lüscher (2000).\index{Max-Planck-Medaille}\index{Lehmann}\index{Symanzik}
\index{Luscher@Lüscher}

%{\bf Quantenchromodynamik
%Arbeitsgebiete: - zusammen mit Unigruppe
%QCD: Instantonen, Diffraktion, QCDINS, Berechnung diffraktiver Reaktionen
%              QCD Analyse diffraktiver Strukturen, Saturationsmodell für
%              $F_2$ für kleine x (DESY 00/103). Fragmentationsfkt. 
%               Berechnung von $\alpha_s$, Pion Fofa DESY-00-142
%Schwere Quarks: t \bar t in e+e-, B Zerfälle, Suche nach neuer Physik;
%            CP Verletzung im B-Sektor
%Higgs und Susy: Erzeugung in e+e-; Physik mit TeV e+e- Collidern; falls nicht
%            Higgs, kann starke WW Wechselwirkung am Kollider verifiziert 
%            werden. Erzeugung von Susy und Higgs am Collider und LHC. 
%            Bestimmung der Higgsmasse; Erzeugung von Neutralinos am Kollider,
%            Mitarbeit am Kolliderproposal 
%Kosmologie: Baryonasymmetrie und Neutinoosz.
%Gittereich: Berechnung der Energieabhängigkeit von $\alpha_s$,
%            Erhaltung chiraler Symmetrie auf dem Gitter.
%Quantengravitation, Arbeitsgruppe 'Mathematische Physik und 
%             Quantenfeldtheorie;
%subsection{2001-2003}
%QCD: Event shapes DESY 01-160 Korrekturen, Berechnung $g_1(x,Q^2), \,
%g_2(x,Q^2)$ für kleine x, Suche nach Instantonen, Saturationsmodell
%von Golec-Biernat und Wüsthoff (kleine x), Bestimmung v. $\alpha_s$, 
%             Higgs am  LHC, NLO Rechnungen
%Schwere Quarks: B-Fabriken kommen in Gang,
%Studium v.B-Zerfällen, 
%TESLA-Physik: TDR (Higgs, W, t, Susy Spin,Parität
%Neutrinophysik und Kosmologie: kosmologische Konstante vs. Quintessenz,
%              Minischwarze Löcher, hochenergetische Neutrinos, Natur der
%              dunklen Materie, Leptogenese DESY-02-107,32.
%GittereichTheorie: APE, NIC Jülich, installiert PC Cluster von zunächst
%32 Knoten, dann 64, Übersichtsartikel DESY-0214
%Quantengravitation: Raumzeit, Stringtheorie II.Institut
%J.C.Collins,DESY-01-013 [Schi96]
%\noindent
%\glq{}Wiederholen zwar kann der Verstand, was da schon gewesen, \\
%Was die Natur gebaut, bauet er wählend ihr nach. \\
%Über Natur hinaus baut die Vernunft, doch nur in das Leere- \\
%Du nur, Genius, mehrst in der Natur die Natur.\grq{} \\

%%% Local Variables: 
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "master"
%%% End: 
