Das seltsame Verhalten von Schall durch Festkörper

Man muss nicht alles gesehen haben, um es zu glauben; bestimmte Dinge sind leichter zu hören, wie ein Zug, der sich seinem Bahnhof nähert. In einem kürzlich erschienenen Artikel, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfunghaben Forscher ihre Ohren auf die Schiene gelegt und eine neue Eigenschaft der Streuung von Amplituden entdeckt, die auf ihrer Untersuchung von Schallwellen durch feste Materie basiert.

Ob Licht oder Schall, Physiker betrachten die Wahrscheinlichkeit von Teilchenwechselwirkungen (ja, Schall kann sich wie ein Teilchen verhalten) in Form von Wahrscheinlichkeitskurven oder Streuamplituden. Es ist allgemein bekannt, dass, wenn der Impuls oder die Energie eines der gestreuten Teilchen auf Null geht, die Streuamplituden immer mit ganzzahligen Potenzen des Impulses (dh p1, p2, p3 usw.) skaliert werden sollten. Was das Forschungsteam jedoch herausfand, war, dass die Amplitude proportional zu einer gebrochenen Potenz sein kann (dh p1/2, p1/3, p1/4 usw.).

Warum ist das wichtig? Während Quantenfeldtheorien wie das Standardmodell es Forschern ermöglichen, Vorhersagen über Teilchenwechselwirkungen mit extremer Genauigkeit zu treffen, ist es immer noch möglich, die derzeitigen Grundlagen der Grundlagenphysik zu verbessern. Wenn ein neues Verhalten demonstriert wird – wie z. B. Fractional-Power-Scaling – haben Wissenschaftler die Möglichkeit, bestehende Theorien zu überdenken oder zu überarbeiten.

Diese von Angelo Esposito (Institute for Advanced Study), Tomáš Brauner (Universität Stavanger) und Riccardo Penco (Carnegie Mellon University) durchgeführte Arbeit betrachtet speziell die Wechselwirkungen von Schallwellen in Festkörpern. Um dieses Konzept zu veranschaulichen, stellen Sie sich einen Holzblock vor, an dessen beiden Enden Lautsprecher angebracht sind. Sobald die Lautsprecher eingeschaltet sind, treffen zwei Schallwellen – Phononen – aufeinander und streuen, ähnlich wie bei Kollisionen in einem Teilchenbeschleuniger. Wenn ein Lautsprecher auf eine bestimmte Grenze eingestellt wird, so dass der Impuls des Phonons Null ist, kann die resultierende Amplitude proportional zu einer gebrochenen Leistung sein. Dieses Skalierungsverhalten, erklärt das Team, ist wahrscheinlich nicht auf Phononen in Festkörpern beschränkt, und seine Erkennung kann bei der Untersuchung von Streuamplituden in vielen verschiedenen Kontexten helfen, von der Teilchenphysik bis zur Kosmologie.

„Die detaillierten Eigenschaften von Streuamplituden wurden kürzlich mit viel Nachdruck untersucht“, sagte Esposito. „Das Ziel dieses breiten Programms ist es, mögliche Verhaltensmuster von Streuamplituden zu klassifizieren, um sowohl einige unserer Berechnungen effizienter zu machen, als auch ehrgeiziger, um neue Grundlagen der Quantenfeldtheorie zu schaffen.“

Feynman-Diagramme sind seit langem ein unverzichtbares Werkzeug der Teilchenphysiker, aber sie haben gewisse Einschränkungen. Zum Beispiel können hochgenaue Berechnungen Zehntausende von Feynman-Diagrammen erfordern, die in einen Computer eingegeben werden müssen, um Teilchenwechselwirkungen zu beschreiben. Durch ein besseres Verständnis der Streuamplituden können Forscher das Partikelverhalten möglicherweise leichter lokalisieren, anstatt sich auf den Top-Down-Ansatz von Feynman-Diagrammen zu verlassen, wodurch die Effizienz von Berechnungen verbessert wird.

„Die vorliegende Arbeit enthüllt eine Wendung in der Geschichte, indem sie zeigt, dass die Physik der kondensierten Materie eine viel reichhaltigere Phänomenologie der Streuamplituden aufweist als das, was zuvor in der fundamentalen, relativistischen Physik gesehen wurde“, fügte Esposito hinzu. „Die Entdeckung der Bruchzahlskalierung lädt zu weiteren Arbeiten an Streuamplituden kollektiver Materieschwingungen ein, wobei Festkörper in den Fokus gerückt werden.“