L’étrange comportement du son à travers les solides

Tout n’a pas besoin d’être vu pour être cru; certaines choses s’entendent plus facilement, comme un train qui approche de sa gare. Dans un article récent, publié dans Lettres d’examen physiqueles chercheurs ont mis leurs oreilles au rail, découvrant une nouvelle propriété des amplitudes de diffusion basée sur leur étude des ondes sonores à travers la matière solide.

Qu’il s’agisse de lumière ou de son, les physiciens considèrent la probabilité d’interactions de particules (oui, le son peut se comporter comme une particule) en termes de courbes de probabilité ou d’amplitudes de diffusion. Il est de tradition que lorsque l’impulsion ou l’énergie de l’une des particules diffusées passe à zéro, les amplitudes de diffusion doivent toujours être mises à l’échelle avec des puissances entières d’impulsion (c’est-à-dire p1, p2, p3, etc.). Ce que l’équipe de recherche a découvert cependant, c’est que l’amplitude peut être proportionnelle à une puissance fractionnaire (c’est-à-dire p1/2, p1/3, p1/4, etc.).

Pourquoi est-ce important ? Bien que les théories quantiques des champs, telles que le modèle standard, permettent aux chercheurs de faire des prédictions sur les interactions des particules avec une extrême précision, il est toujours possible d’améliorer les fondements actuels de la physique fondamentale. Lorsqu’un nouveau comportement est démontré, comme la mise à l’échelle de la puissance fractionnaire, les scientifiques ont l’occasion de revoir ou de réviser les théories existantes.

Ce travail, mené par Angelo Esposito (Institute for Advanced Study), Tomáš Brauner (Université de Stavanger) et Riccardo Penco (Université Carnegie Mellon), considère spécifiquement les interactions des ondes sonores dans les solides. Pour visualiser ce concept, imaginez un bloc de bois avec des haut-parleurs placés aux deux extrémités. Une fois les haut-parleurs allumés, deux ondes sonores, les phonons, se rencontrent et se dispersent, comme des collisions dans un accélérateur de particules. Lorsqu’un haut-parleur est ajusté à une certaine limite, telle que l’impulsion du phonon est nulle, l’amplitude résultante peut être proportionnelle à une puissance fractionnaire. Ce comportement de mise à l’échelle, explique l’équipe, n’est probablement pas limité aux phonons dans les solides, et sa reconnaissance peut aider à l’étude des amplitudes de diffusion dans de nombreux contextes différents, de la physique des particules à la cosmologie.

« Les propriétés détaillées des amplitudes de diffusion ont récemment été étudiées avec beaucoup de vigueur », a déclaré Esposito. « L’objectif de ce vaste programme est de classer les modèles possibles de comportement des amplitudes de diffusion, à la fois pour rendre certains de nos calculs plus efficaces et, de manière plus ambitieuse, pour construire de nouvelles fondations de la théorie quantique des champs. »

Les diagrammes de Feynman sont depuis longtemps un outil indispensable des physiciens des particules, mais ils présentent certaines limites. Par exemple, des calculs de haute précision peuvent nécessiter la saisie de dizaines de milliers de diagrammes de Feynman dans un ordinateur pour décrire les interactions des particules. En acquérant une meilleure compréhension des amplitudes de diffusion, les chercheurs peuvent être en mesure d’identifier plus facilement le comportement des particules plutôt que de s’appuyer sur l’approche descendante des diagrammes de Feynman, améliorant ainsi l’efficacité des calculs.

« Le présent travail révèle une tournure dans l’histoire, montrant que la physique de la matière condensée affiche une phénoménologie des amplitudes de diffusion beaucoup plus riche que ce qui était précédemment vu dans la physique fondamentale et relativiste », a ajouté Esposito. « La découverte de la mise à l’échelle de la puissance fractionnaire invite à poursuivre les travaux sur les amplitudes de diffusion des oscillations collectives de la matière, en plaçant les solides au centre. »