Infrarotproblem

Das Infrarotproblem der Quantenelektrodynamik ist ein Problem der Quantenfeldtheorie.

Die Beiträge von Photonen mit sehr niedriger Energie führen zu divergenten Anteilen der Streuamplituden in der Quantenelektrodynamik. Ursache dieses Problems ist, dass Photonen masselos sind und daher beliebig niedrige Energien annehmen können beziehungsweise, äquivalent dazu, dass die elektromagnetische Wechselwirkung langreichweitig ist.

Der Name dieses Problems rührt daher, dass Photonen mit niedriger Energie eine dazu proportional niedrige Frequenz haben. Elektromagnetische Wellen niedriger Frequenz, also langer Wellenlänge, werden als Infrarotstrahlung bezeichnet. Allerdings tragen zum Infrarotproblem auch Teile des elektromagnetischen Spektrums bei, die deutlich langwelliger sind (zum Beispiel Radiowellen).

Das Infrarotproblem wird in der Behandlung der Quantenelektrodynamik meist umgangen, indem eine kleine Masse des Photons eingeführt wird, dann über die Anteile niedriger Energie gemittelt wird und zuletzt die Masse wieder null gesetzt wird. Durch diese sogenannte Massenregularisierung wird es möglich, asymptotische Zustände für Zeiten lange vor und nach der Wechselwirkung und eine S-Matrix zu definieren, was sonst durch das Infrarotproblem unmöglich gemacht wird.

In der axiomatischen Quantenfeldtheorie ist das Infrarotproblem ein bis heute (2008) untersuchtes Problem und es gibt noch keine allgemein anerkannte Lösung dieses Problems im axiomatischen Rahmen.