Среди множества таинственных загадок, для которых современной науке пока что так и не удается отыскать ответы, одна из самых неясных у физиков – это почему в природе существуют именно три поколения фундаментальных частиц.

Каждое такое поколение (или семейство) в Стандартной Модели физики частиц включает в себя 4 члена. Самое легкое семейство, в частности, состоит из электрона, электронного нейтрино, Up-кварка и Down-кварка. Остальные два семейства состоят из аналогичных по свойствам частиц, но по возрастанию более массивных. В Стандартной Модели нет ничего, что запрещало бы «надстраиванию башни», то есть появлению в природе следующих семейств со все более и более значительной массой. Однако экспериментальные свидетельства позволяют заключить, что три наблюдаемых семейства – это все из имеющегося во вселенной.

Попыток решить эту давно озадачивающую теоретиков проблему было сделано, конечно, немало, однако сколь-нибудь удовлетворительного и – главное – красивого объяснения (когда всем становится очевидно, что иначе и быть не может) никому отыскать как-то не удается.

Оригинальная и свежая теория на данный счет представлена в майском номере журнала Physical Review Letters за 2012 год – двумя исследователями из Института ядерной теории в Сиэтле, штат Вашингтон, США:

David B. Kaplan and Sichun Sun, «Spacetime as a Topological Insulator: Mechanism for the Origin of the Fermion Generations». Phys. Rev. Lett. 108, 181807 (2012). Preprint arXiv:1112.0302v3 [hep-ph].

Предложенный авторами вариант отгадки для тайны природы вынесен в заголовок статьи: «Пространство-время как топологический изолятор: механизм, объясняющий происхождение поколений фермионов». Если же пояснять суть открытия ученых в двух словах, то оказывается (точнее, можно продемонстрировать расчетами), что наша вселенная имеет дополнительное, пятое измерение, которое в силу непреодолимых математических обстоятельств «запрещено» для частиц нашего мира – аналогично тому, как внутреннее пространство материалов, именуемых топологическими изоляторами, оказывается вне пределов досягаемости для электронов проводимости на их поверхности.

Важным следствием этой модели, основанной на топологических свойствах пространств, оказывается то, что при подобном подходе к известной проблеме удается естественным образом порождать именно три семейства частиц (а также делать проверяемые экспериментально предсказания относительно трудноуловимых частиц типа нейтрино и хиггсовского бозона).

Иначе говоря, разгадку одной из главных тайн физики частиц авторы исследования Д. Каплан и С. Сун сумели (как они считают) отыскать в физике конденсированных сред, подметив, что пространство-время по своим свойствам отчетливо напоминает топологический изолятор.

Топологические изоляторы, можно напомнить, это совсем недавно открытые и во многом уникальные материалы, которые внутри являются изоляторами, однако по внешней своей поверхности хорошо проводят ток словно металлы.

Рассматривая пространство-время как четырехмерную поверхность, Каплан и Сун уподобили ее проводящей поверхности аналогичного «изолятора» более высокой размерности (5D). А затем, обоснованно предполагая определенную топологию такого 5D-пространства, состоящего из дискретных энергетических слоев, авторы показывают, что здесь можно порождать в точности три семейства частиц – привязанных к своим четырехмерным поверхностям…

* * *

Еще одна любопытная теоретическая работа, очевидно связанная с физикой топологических изоляторов и волнующими тайнами в устройстве вселенной, появилась 3 года назад и подготовлена группой китайских исследователей из Института теоретической физики национальной Академии наук в Пекине:

ZL Guo, ZR Gong, H Dong and CP Sun, «Mobius Graphene Strip as Topological Insulator». Physical Review B 80, 195310 (2009). Preprint arXiv:0906.1634v2 [cond-mat.mes-hall].

Графеновая лента Мебиуса

Здесь физики провели аналитическое изучение электронных свойств листа из графена, имеющего форму ленты Мебиуса с зубчатой или зигзагообразной границей (иначе говоря, край ленты представляет собой замкнутую ломаную, причем атомы углерода располагаются только в ее вершинах).

В результате исследования показано, что графеновая лента Мебиуса ведет себя как топологический изолятор с «надежной металлической поверхностью» – по краю ленты движение электронов происходит без потерь энергии, в то время как вся остальная часть (балк) ленты ток не пропускает.

Отмечая, что их работа носит пока лишь теоретический характер, ученые одновременно показывают, каким образом необычные свойства графеновой ленты Мебиуса могут быть продемонстрированы экспериментально. Главный же итог исследования: удалось показать, что поведение «топологического изолятора» удается порождать нетривиальной топологической структурой самого объекта…

* * *

Чтобы стало яснее, какое отношение графеновый лист Мебиуса может иметь к «тайнам устройства вселенной», можно прочесть (или перечитать еще раз) фрагмент из книги под названием «Резиновая геометрия» [6C].

Дополнительные сведения о том, каким образом могут быть связаны топологические изоляторы, трехслойная структура пространства-времени и общая топологическая конструкция вселенной, можно почерпнуть из фрагмента «Гранулированная геометрия» [6E].