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힉스 이후, 한국인이 제안한 3대 입자가 이끈다

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2015년 05월 06일 09:13 프린트하기

1977년 7월 미국물리학회지(피지컬리뷰레터스)에는 4쪽짜리 논문이 하나 실렸다. 글쓴이는 미국 국립페르미연구소의 벤저민 리 박사와 스탠퍼드대 물리학과의 스티븐 와인버그 교수였다. 와인버그 교수는 10년 전인 1967년, 피터 힉스 교수 등이 발견한 힉스 메커니즘을 이용해 우주의 물질과 힘의 근원을 설명한 표준모형의 근원을 닦은 논문을 쓴 당대 최고의 물리학자 중 하나였다. 실제로 그는 2년 뒤인 1979년 노벨 물리학상을 받았다.

 

그런 와인버그 교수와 공동으로 논문을 썼으니 리 박사 역시 만만치 않은 석학이었음을 짐작할 수 있다. 실제로 그는 당시 이론물리학계를 주름잡던 최첨단 이론인 '게이지이론'의 세계적인 대가였다. 그런데 그의 이름 옆에는 낯선 주석 표시가 붙어 있었다. 논문 맨 뒤로 넘겨 본 물리학자들은 이미 널리 알려졌던 안타까운 사연을 다시 한번 눈으로 확인하고는 고개를 숙였다. 주석은 단 한 마디만을 담담하게 새기고 있었다. '고인이 됐음.'

 

 강의 중인 생전의 이휘소 박사의 모습. 그는 한국계 미국인으로
강의 중인 생전의 이휘소 박사의 모습. 그는 한국계 미국인으로 1960~70년대 입자물리학의 세계적 석학으로 꼽힌다.

리 박사는 논문이 나오기 불과 한 달 전 불의의 교통사고로 유명을 달리했다. 일리노이주의 한 고속도로에서 마주 오던 트레일러가 중앙선을 넘어 그의 차를 덮쳤다. 결과적으로 사고 한 달 전에 투고한 이 논문은 그의 유고가 되고 말았다. 너무나 비극적이고 안타까운 죽음이었기에, 리 박사의 고국에서는 그가 미국과 고국의 정치 게임의 희생양이었다는 '음모'를 제기하는 소설이 나오기도 했다. 하지만 리 박사는 서서히 미국에서도 고국에서도 잊혀 갔고, 그를 '벤 리'라는 애칭으로 불렀던 물리학자들의 기억에만 어렴풋하게 남게 됐다. 살아 있었으면 틀림없이 고국에 첫 노벨 물리학상을 안겨줬을 위대한 과학자의 원래 이름도 함께 멀어져 갔다. '이휘소'라는 한국 이름 말이다.

 

이 박사의 유고가 된 논문의 제목은 '무거운 중성미자 질량의 우주론적 하한선'이다. 우주에 존재하는 가상의 '무겁고 전기적으로 중성인 경입자(렙톤)'가 갖는 최소 질량을 제시한 논문이었다. 이미 1950, 1960년대에 각각 전자 중성미자와 뮤온중성미자가 발견된 상태였고, 타우 경입자는 발견됐지만, 그와 대응하는 타우 중성미자가 발견되기 전이었다. 당시는 현재의 우주 모습이 되려면 중성미자가 전자의 12만분의 1인 40eV/c2보다 무거울 수 없다는 의견이 많았다. 하지만 두 사람은 그보다 무거운 중성미자가 존재할 수 있고, 매우 안정하다고 주장했다. 특히 계산을 통해 구체적인 수치를 제시했는데, 과감하게도 학계의 주류 의견보다 수천만 배나 무거운 2GeV/c2(양성자의 약 2배) 이상이었다.

 

2000년에야 발견된 타우 중성미자의 질량은 '겨우' 15.5MeV/c2였다. 이 박사가 예측했던 것보다는 100분의 1 이상 가벼웠다(그래도 과거 주장보다는 매우 무거웠다). 이 박사의 이론은 반만 맞은 것일까. 하지만 많은 물리학자는 다른 부분에 주목했다.

 

두 사람이 제시한 입자가 중성미자가 아니라 '미지의 다른 입자'라면 어떨까? 사실 그 입자가 꼭 중성미자일 이유는 없다. '전기적으로 중성이며 무겁고 안정하며, 중성미자처럼 다른 물질과 상호작용이 거의 없는' 새로운 입자가 존재할 가능성은 없을까. 특히 이 논문의 마지막은 의미심장하다. "1~15GeV/c2의 영역의 질량을 갖는 안정하고 무거운 중성 경입자가 발견된다면, 이 입자의 중력장은 우주를 수축시키는 그럴듯한 메커니즘을 제공할 것이다." 중력원으로 작용해 우주를 수축시키며, 안정하고 물질과의 상호작용이 없는 입자, 바로 오늘날 물리학자들이 찾는 '암흑물질'의 정의와 정확히 일치한다. 이 조건은 그대로 이 입자의 이름이 됐다. 바로 '약하게 상호작용하는 무거운 입자(Weakly Interacting Massive Particle, 윔프)'다.

 

미국 브라운대의 암흑물질 탐색 임무인
미국 브라운대의 암흑물질 탐색 임무인 '룩스'는 제논 시료를 이용하여 물질과 아주 미세하게 상호작용하는 암흑물질을 검출하는 프로젝트다. 주요 대상은 윔프로 2013년 10월 말 첫 번째 관측 결과를 냈다. - Brown University 제공

1983년에는 표준모형을 확장한 초대칭이론에서도 윔프가 나타났다. 초대칭이론에서는 우리가 보는 기본입자가 모두 '초대칭 짝 입자'를 갖는데, 그중 가볍고 안정적이며 중성인 일부 입자가 곧 윔프라고 주장한다. 현재 세계의 10여 개 연구팀이 실험을 통해 찾고 있으며, 한국에서도 김영덕 단장(세종대 물리학과 교수)이 주도하는 기초과학연구원 지하실험연구단이 하고 있다.

 

암흑물질은 '힉스 이후'를 주도할 입자물리학의 새로운 목표다. 힉스 입자를 관측한 유럽입자물리연구소도 힉스 관측 선언과 동시에 암흑물질 탐색을 선언했을 정도다. 하지만 이렇게 중요한 윔프의 개념을 이휘소 박사가 처음 제기했다는 사실은 잘 알려지지 않았다. 국내 학자와 일부 외국 학자가 가끔 문헌에서 언급하는 정도다. 김진의 경희대 석좌교수는 "지난 11월 나온 '사이언스' 기사에도 윔프가 처음 제기된 연도가 (이 박사 사후인) 1985년으로 잘못 나와 있다"며 "학술대회 발표 때마다 정정해서 이야기하고 있다"고 말했다.

 

 

기이한 반쪽짜리 자석 입자, 자기홀극


2013년 11월 11일 오후, 서울 인터콘티넨탈호텔. 세계과학한림원 서울포럼이 열린 자리에서 한국 원로 물리학자가 자신의 이론을 소개했다. 곧바로 세계에서 온 이론, 실험 물리학자들의 질문이 쏟아졌다. 발표한 물리학자는, 아직은 기초적인 계산을 했을 뿐이고, 더 많은 후속 연구가 필요하다고 침착하게 대응했다. 발표가 끝나고 쉬는 시간. 어떤 물리학자는 도대체 뭐가 뭔지 모르겠다는 표정을 지으며 고개를 갸우뚱하며 나왔고, 어떤 물리학자는 "노벨상감"이라며 그에게 악수를 청했다. 도대체 누구기에 이렇게 극단적인 반응이 나왔을까. 논란의 한복판으로 뛰어들기를 두려워하지 않는 이 물리학자는 조용민 건국대 석학교수였다.

 

발표는 1997년에 한 그의 대표적인 연구에 대한 것이었다. '조-메이슨 자기홀극(모노폴)'이다. 자기홀극은 아직 발견되지 않은 미지의 입자다. 한 몸에 언제나 N극과 S극을 동시에 지니고 있는 자석과 달리, 자기홀극은 처음부터 N극 아니면 S극 중 하나만을 지니고 있다. 1931년 양자역학의 창시자이자 입자물리학의 '대부'인 폴 디랙이 처음 아이디어를 제시했고 이후 몇 사람이 모델을 제시했지만, 지금까지 한 번도 관측된 적이 없다. 자기홀극은 자석을 쪼개고 쪼개서 얻을 수 있는 게 아니며, 우주 탄생과 함께 만들어진 입자로 지금은 우주 멀리 퍼져 희석돼 관측이 어렵다고 본다.

 

전자기 자기홀극의 개념. 전하는 양극과 음극으로 나뉘고 각자 독립적이다. 전하가 움직이면 주변에 자기장이 생긴다. 이에 비해 자기는 쌍극자로 N극과 S극이 항상 붙어서 나타난다. 그러나 자기홀극은 자극이 전하처럼 N극과 S극이 독립적으로 존재할 수 있다고 가정한다. 자기홀극의 성질은 전하와 대칭적이다.
전자기 자기홀극의 개념. 전하는 양극과 음극으로 나뉘고 각자 독립적이다. 전하가 움직이면 주변에 자기장이 생긴다. 이에 비해 자기는 쌍극자로 N극과 S극이 항상 붙어서 나타난다. 그러나 자기홀극은 자극이 전하처럼 N극과 S극이 독립적으로 존재할 수 있다고 가정한다. 자기홀극의 성질은 전하와 대칭적이다.

조-메이슨 자기홀극은 과학자들이 제시한 5개의 자기홀극 이론 중 가장 최신의 것으로, 실제로 존재할 수 있는 유일한 자기홀극이라고 한다. 자기홀극이 '힉스 이후'를 이끌 진정한 입자라는 평가도 있다. 전자의 전하 크기가 왜 정수배인지 등 물리학의 기본 구조를 쥔 열쇠기 때문이다.

 

조 교수에 따르면 자기홀극은 지금까지 우리가 알던 입자와는 완전히 다르다고 한다. 흔히 입자는 점으로 묘사되지만, 자기홀극은 '위상학적 입자'로, 마치 실이 꼬인 실타래 같다는 것이다. 지금까지 한 번도 본 적이 없는 입자이므로 중요하다는 것. 한편으로는 완전히 다른 입자기 때문에 가속기에서 만들면 관측은 쉽다고 예상한다.

 

관건은 에너지의 크기다. 유럽입자물리연구소(CERN) LHC의 양성자 빔 출력이 8TeV였는데 자기홀극의 이론적인 질량을 계산해 보면 5~7TeV/c2 정도라고 한다. 자기홀극은 하나의 극을 갖는 대신 두 개가 한 쌍씩 나오니, 한 번에 관측할 입자의 질량이 10~14TeV/c2 사이라는 뜻이다. LHC가 2013년부터 업그레이드에 들어가 2015년이면 약 13~14TeV의 출력을 달성하니 LHC의 최대출력 영역에 이르러서야 검출이 가능한 셈이다.

 

자기홀극 검출중인 CERN의 뫼달 검출기. 조-메이슨 자기홀극은 유럽에서 먼저 반향을 일으켰다. - CERN 제공
자기홀극 검출중인 CERN의 뫼달 검출기. 조-메이슨 자기홀극은 유럽에서 먼저 반향을 일으켰다. - CERN 제공

조 교수의 논문은 아직 많이 인용되지 않았고, 여전히 낯설게 여기는 과학자들이 많다. 포럼에서의 분분함이 그 증거다. 조 교수는 다른 물리학자의 무관심에 낙담해 한동안 자기홀극 연구에서 손을 떼고 '모든 것의 이론(통일장 이론)' 연구에 몰두하기도 했다. 하지만 최근 자기홀극 연구를 다시 시작했다. 세계가 먼저 알아봤기 때문이다. 실험물리학자인 캐나다 앨버타대 물리학과의 제임스 핀폴드 교수는 CERN의 소형 검출기인 뫼달(MoEDAL)을 이용해 자기홀극을 찾겠다고 선언했다. 2013년 봄에 이어 포럼 때 다시 한번 방한한 핀폴드 교수는 "조-메이슨 자기홀극은 뫼달의 주요 목적"이라며 "자연계에 존재할 수 있는 유일한 자기홀극으로, 물리학자라면 그 중요성을 알 것"이라고 말했다.

 

 

가볍고 느리게, 보이지 않는 액시온


1977년은 슬프고도 생산적인, 이상한 해였다. 고 이휘소 박사의 안타까운 타계는 당시 한창 주가를 올리고 있던 입자물리학자들을 한자리에 모이게 했다. 그해 가을에 열린 '고 이휘소 박사 추모 학술대회'였다.

 

당시 학술대회의 주제는 '패리티(반전) 비보존'이었다. 어려운 말이지만, 패리티는 공간에 대한 대칭성이다. 예를 들어 공간을 거울에 놓고 반전시켰을 때 물리 법칙이 그대로 유지되면 패리티대칭(P 대칭)이다. 또 다른 대칭으로, 우리가 아는 입자(그리고 암흑물질의 입자)에는 반입자가 있고 이 둘이 정확하게 1:1로 대응한다는 대칭이 있다. 이 대칭은 켤레대칭(C 대칭)이라고 불린다.

 

당시의 화두는 두 대칭이 어떤 힘에서는 보존되지 않는다는 사실이었다. 약한 상호작용에서는 C와 P 대칭(CP 대칭)이 깨져 있다는 사실이 밝혀져 있었다. 하지만 강한 상호작용에서는 관측으로 확인할 수 없었다. 깨진 정도가 아주 약해서 거의 깨지지 않는 것이나 다름없어서인데, 이것은 표준모형과는 맞지 않았다. 그 해에 로베르토 페체이와 헬렌 퀸 박사는 또 다른 대칭(페체이-퀸 대칭)을 도입하면 CP대칭이 깨지지 않을 수 있다는 설명을 내놓았는데, 고 이휘소 박사 콘퍼런스에서 바로 이 주장이 화두가 됐다. 스티븐 와인버그와 프랭크 윌첵이, 페체이와 퀸의 가설을 따르면 새로운 입자가 나타난다고 밝혔기 때문이다. '액시온'이라는 입자였다. 김진의 경희대 석좌교수는 발표가 끝나자 힉스에 신의 입자라는 이름을 붙인 레온 레더만이 와인버그를 졸졸 따라다니며 그 입자를 어떻게 발견하느냐고 물었다고 회상한다. 당시 와인버그의 대답은 "1년 안에." 그러나 여전히 발견되지 않았다.

 

힉스 이후, 한국인이 제안한 3대 입자가 이끈다 - (좌)미국 워싱턴대에서 실험중인 ADMX의 사진. 가운데에서 오른쪽의 원기둥이 액시온 검출장치다. ⓒ University of Washington (우)ADMX의 상세 구조. 가운데가 빈 공간에 초전도 자석을 두르고 균일한 전기장을 발생시킨다. 이후 액시온이 자기장을 통과하여 광자로 변화하는 순간을 관측한다. IBS에서 건설중인 검출장치도 비슷한 구조지만 출력과 규모를 크게 키운다. 제공
힉스 이후, 한국인이 제안한 3대 입자가 이끈다 - (좌)미국 워싱턴대에서 실험중인 ADMX의 사진. 가운데에서 오른쪽의 원기둥이 액시온 검출장치다. ⓒ University of Washington (우)ADMX의 상세 구조. 가운데가 빈 공간에 초전도 자석을 두르고 균일한 전기장을 발생시킨다. 이후 액시온이 자기장을 통과하여 광자로 변화하는 순간을 관측한다. IBS에서 건설중인 검출장치도 비슷한 구조지만 출력과 규모를 크게 키운다. 제공

액시온이 존재하지 않는다는 의미는 아니었다. 그보다는 오히려 액시온이 수명이 아주 짧아서 나타나자마자 다른 입자로 바뀌어 사라졌기 때문이라고 해석하는 편이 자연스러웠다. 페체이-퀸 가설은 나오자마자 증명할 수 없는 상황에 빠진 것이다. 하지만 1979년 김 교수가 획기적인 연구 결과를 발표했다. 액시온의 수명이 우주의 나이보다 긴 1049초로 아주 길 가능성을 제시했다. 바로 '보이지 않는 액시온' 또는 '아주 가벼운 액시온'이라고 부르는 입자다. 그의 나이 33세 때였다.

 

액시온은 매우 가볍다. 액시온 검출을 위해 한국에 자리를 잡은 야니스 세메르치디스 IBS(기초과학연구원) 액시온및극한상호작용연구단장은 액시온의 질량이 1~1000μeV 사이일 것으로 예측했다. 표준모형에서 가장 가벼운 입자인 전자중성미자(2.2eV)보다 2000~200만 분의 1 가벼운 수준이다.

 

문제는 입자의 세계에서는 이렇게 가벼우면 움직이는 속도가 매우 빨라야 한다는 점이다. 그런데 액시온은 아주 느리다. 물론 액시온도 하나만 움직인다면 빠르겠지만, 보통은 100조 개가 같이 움직이는 특성이 있어 느리다. 이런 성질은 우주를 설명하는 데 중요한 단서를 준다. 액시온이 강한 중력원이 될 가능성을 제공하기 때문이다. 액시온은 곧 강력한 암흑물질 후보로 꼽히게 됐다.

 

오늘날 액시온을 관측하는 곳은 두 곳이다. 미국 워싱턴대에서 에이디엠엑스(ADMX)라는 연구장비를 만들어 실험하고 있다. CERN의 '액시온태양망원경(CAST)'도 한 때 태양 내부에서 나오는 액시온을 검출하고자 시도했지만, 현재는 중단된 상태다.

 

가장 강력한 관측은 몇 년 뒤 한국에서 할 예정이다. 바로 세메르치디스 단장의 액시온및극한상호작용연구단에서다. 관측의 기본 원리는 강한 자기장에서 액시온이 광자로 붕괴하는 현상을 검출하는 것으로, ADMX와 비슷하다. 다만 자기장이 ADMX의 3.5~5배나 되는 등 모든 면에서 훨씬 성능이 뛰어나다는 것이 차이점이다. 1~100μeV 질량대가 주 탐색 대상이며, 3년 안에 시설을 완성하고 바로 실험을 시작할 예정이다.

 

 

* 본 콘텐츠는 기초과학연구원의 온라인 뉴스레터 IBS 뉴스레터에서 발췌한 내용입니다.

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김택원

twkim@donga.com

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2015년 05월 06일 09:13 프린트하기

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