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[2552호] 2019.04.08
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[과학 연구의 최전선]공무원 꿈꾸던 입자물리학자의 숙제 “자연에서 새 대칭성을 찾는다”

양운기 서울대 물리학과 교수

최준석  선임기자 jschoi@chosun.com

photo 양수열 영상미디어 기자
양운기 서울대 물리학과 교수 관련 자료를 찾다가 그가 “중학교 때 장래희망이 7급 공무원이었다”라고 말한 걸 보았다. 의아했다. ‘대통령’ ‘우주비행사’를 꿈꿀 나이인데? 지난 3월 13일 서울대에서 만난 양운기 교수는 입자물리학 분야에서 한국을 대표하는 실험가다. 10대 초반에 ‘7급 공무원’이라는 소박한 꿈을 가졌던 그가 어떻게 서울대 교수라는 한국 최고의 지식인이 되었을까? ‘과학 연구의 최전선’을 취재하러 갔지만, 우선 그 이야기가 궁금했다. 서울대 식당에서 양운기 교수 취재는 그렇게 시작했다.
   
   양운기 교수는 10대 중반만 해도 학업에는 큰 뜻이 없었다. 다니던 중학교에서 장래희망을 써내라고 했는데 “9급 공무원을 장래희망으로 쓰기는 뭐하고, 그보다 한 단계 높은 7급 공무원이라고 썼다”고 웃으면서 말했다. 중학교 2학년 어느 날 ‘계기’가 있어 공부를 해야겠다고 맘먹었다.(그는 ‘계기’가 무엇인지 내게는 말했으나 기사로 알려지는 건 원치 않았다.) 성적이 꾸준히 올라갔다. 과학과 수학 성적이 특히 좋았다. 그는 꿈을 바꿔 원자력발전소에 취업하기로 했고, 이를 위해 고려대 물리학과에 진학했다. 물리학과에서 원자핵에 관해 배운다고 알았기 때문이다.
   
   양 교수는 물리학과 대학원 석사과정 때 일본 KEK(고에너지물리연구소)에 파견돼 10개월간 일할 기회가 있었다. 당시 일본 KEK는 전자-반전자 충돌을 통해 톱쿼크 발견을 목표로 트리스탄 가속기를 운영하는 AMY(입자가속기 국제실험 연구팀) 실험을 하고 있었다. 석사 학생이 외국의 실험기관에 나가는 건 드물다. 이곳에서 미국 로체스터대학의 물리학 교수 스티븐 올슨(Olsen)을 알게 됐다. AMY 실험의 공동대표로 있던 그는 이따금씩 일본에 왔다. 스티븐 올슨 교수가 고려대 강주상 교수의 제자인 양운기 학생을 좋게 봐 “학부 졸업 후에 로체스터대학으로 공부하러 오라”고 했다. 양 교수는 “대학 진학 때만 해도 석사, 박사라는 게 있는지도 몰랐다”고 했다.
   
   
   영국 맨체스터대학에서의 교훈
   
   로체스터대학은 고에너지 분야(입자물리학과 핵물리학에서 에너지가 높은 영역을 다루는 분야)의 대표적 학회인 ‘로체스터학회’의 발상지이기도 했다.
   
   대학원생 양운기가 박사과정을 보낸 현장은 페르미연구소다. 당시 페르미연구소는 세계 최고의 입자물리연구소였다. 반경 6.3㎞의 원형 입자가속기 테바트론을 운영하고 있었다. 양성자와 반양성자를 정면 충돌시키는 짧은 순간 상상할 수 없는 뜨거운 온도가 만들어질 때 생성되는 입자들이 무엇인지를 연구했다. 당시 페르미연구소에는 로체스터대학과 시카고대학 등 많은 대학의 박사과정 학생들이 와서 실험하고 공부했다. 로체스터에서 페르미연구소가 있는 바타비아(시카고 인근)까지는 수백 킬로미터의 거리였는데 지도교수인 아리 보덱은 2주마다 제자들 연구를 지도하러 로체스터에서 바타비아로 왔다. 양 교수는 이곳에서 박사과정 처음 6개월을 제외하고 나머지 기간을 보냈다.
   
   4년이 지나고 2001년 박사학위를 받았다. 그의 박사학위 논문은 페르미연구소의 2002년 최우수논문으로 선정됐다. 페르미연구소에서 연구하며 박사 논문을 쓰는 학생은 당시 1년에 100명이었다. 양 교수는 “그때 나는 삶에 대해 자신감을 얻었다”고 말했다.
   
   논문 제목은 ‘중성미자와 핵자와의 반응을 통한 양성자 구조 연구’. 양 교수는 “나는 양성자 구조 분야에서 세계 최고의 전문가”라며 당시까지 15년간 풀리지 않은 문제 5~6개를 풀었다고 했다. 쿼크라는 양성자 안에 들어 있는 입자가 양성자 안에서 운동량을 어떻게 갖고 있는지, 그 분포를 알아내는 게 당시 목표였다. 그때까지는 중성미자를 통해 본 양성자 구조와 전자를 통해 본 양성자 구조가 들어맞지 않았다. ‘보덱-양 파톤(parton) 분포’가 당시의 연구 성과였는데, 양 교수의 스승과 양 교수 이름을 붙인 잘 알려져 있는 모델이다.
   
   그는 2006년 영국 맨체스터대학 물리학부 교수가 되었다. 맨체스터대학은 어니스트 러더퍼드(1908년 노벨화학상)가 1909년에 원자핵을 발견한 명문대학으로 세계 50위권에 든다. 러더퍼드는 헬륨원자핵(알파입자)으로 금박을 때려 입자가 튀어나오는 걸 보고, 원자 안에 단단한 원자핵이 있다는 걸 알아냈다.
   
   양 교수의 선택은 세계 입자물리학의 중심지가 미국에서 유럽으로 바뀌는 것과 맥락을 같이한다. 그는 “입자물리학 연구자는 에너지 프런티어(최전선) 실험실 바로 옆에 있어야 한다. 시카고대학이 유명했던 이유가 페르미연구소 바로 옆에 있기 때문이다”라고 말했다. 미국은 페르미연구소의 테바트론 입자가속기 이후 차세대 입자충돌기를 건설하지 않았다. 텍사스 왁사해치에 SSC(초전도 초대형 입자가속기)를 건설하다가 빌 클린턴 행정부 때 의회가 예산 지원을 중단하면서 프로젝트를 중도 포기했다. 반면 유럽은 유럽핵입자물리연구소(CERN)의 입자가속기를 업그레이드했다. 유럽은 LHC라는 차세대 입자가속기를 지었고, LHC가 가동에 들어간 2008년 이후 CERN은 세계 입자 및 핵 물리학의 중심지가 되었다. 그는 맨체스터대학에서 영국 LHC-아틀라스 그룹에 소속되어 일했다. 아틀라스는 CMS 실험그룹과 더불어 LHC의 대표적인 실험그룹 이름이다.
   
   양운기 교수는 영국 대학이 학생을 얼마나 잘 가르치는지를 강조했다. 교수들의 강의를 동료 교수가 평가하고, 학생들이 공식적으로 강의에 대해 의견을 제시하는 시간이 있다고 했다. 맨체스터대학의 학생 평가는 놀라울 정도로 공정하고 까다로웠다. 학기말 시험 문제는 학기 시작 직후에 모범답안과 함께 작성해서 학교 당국에 제출한다. 당국은 문제에 이상이 없는지를 따지고 심사하고, 채점 결과도 이중 삼중으로 공정한지 확인한다고 했다. 그에 반해 한국은 상대적으로 ‘강의’가 등한시되고 교수의 업무 활동을 ‘연구’에 치중해서 평가한다고 했다. 교수가 강의에 더 집중하는 시스템으로 수정되어야 한다는 말로 내게는 들렸다.
   
   그는 맨체스터에서의 경험과 관련해 수학과와 물리학과의 학생 수가 한국에 비교할 수 없이 많은 점을 특히 강조했다. 한 학년 학생 수가 맨체스터대학의 수학과는 500명이고, 물리학과는 250명이다. 반면 서울대학교의 수리과학과는 35명 안팎이고 물리학과는 50명 선이다. “이런 현상을 보고 나는 두려웠다. 뭘 많이 아느냐가 중요한 시대가 아니다. 논리를 새롭게 전개할 수 있느냐가 중요하다. 영국 대학의 수학과나 물리학과 졸업생이 많다는 건, 영국인 5명이 생각할 때 한국인은 불과 1명이 생각하는 거라고 말할 수 있다.”
   
   양 교수는 영국과 한국이 인구 수나 국민소득이나 크게 차이 나지 않는다고 강조했다. 물론 맨체스터대학의 물리학과에 진학한 250명이 모두 물리학을 공부하기 위해 온 건 아니다. 맨체스터대학 물리학과에는 ‘비즈니스와 함께하는 물리학’ ‘철학과 함께하는 물리학’ ‘음악과 함께하는 물리학’ ‘기술과 함께하는 물리학’ 그리고 ‘물리학’ 등 모두 6개의 과정이 있다. 졸업하고 음대에 갈 사람, 철학 공부할 사람도 학부에서 물리학을 공부한다. 대학원에 가서 물리학을 공부할 사람의 비율은 물리학과 학생 중 35% 정도 된다. 양 교수는 공대와 물리학과의 예를 들어가며 영국 학생이 어떤 걸 공부하는지 설명했다. 공대에는 외국 유학생이 많으나, 물리학과에는 압도적으로 영국인이 많다고 한다. “영국에서 생계는 어떻게 하든지 해결된다. 사회복지도 잘 되어 있고. 그러니 영국인은 자기가 하고 싶은 걸 공부한다. 공대에 가지 않고 자연과학대에 진학한다.”
   
   양 교수는 맨체스터대학에 있으면서 서울대로부터 물리학과 교수직을 제안받고 고민 끝에 한국으로 돌아왔다. 2013년이었다. 양 교수의 학문 궤적만 듣는 데도 2시간 반이 지났다. 이러다가 ‘과학 연구의 최전선’ 관련 이야기를 언제 듣나 하는 조바심이 났다. 그의 연구실로 자리를 옮겨 연구 관련해 얘기를 듣기로 했다.
   
   

   “새 힘이 있으면 대칭 만족 입자 있어야”
   
   양운기 교수는 “나는 새로운 대칭성을 찾아왔다”고 말했다. 그가 가리키는 연구실 벽면 한쪽에 걸려 있는 칠판을 보니, ‘양자우주에서 대칭성 탐사 연구실’이라고 쓰여 있다. 한국연구재단의 지원을 받아 서울대 교수 4명과 공동으로 2015년부터 수행 중인 프로젝트 이름이라고 했다. ‘양자우주에서 대칭성 탐사’에 등장하는 ‘양자 우주’라는 용어는 우주를 양자역학으로 보겠다는 뜻이라고 생각했다. 양자역학은 원자 규모의 세계에서 작용하는 힘을 설명하는 물리학 이름이다. 여기서 ‘대칭성’은 익숙한 용어다. 대칭의 대표적 사례는 나비의 몸이다. 날개가 양쪽으로 대칭을 이룬다. 물리학자가 사용하는 ‘대칭’이라는 용어는 이와 좀 다르다. ‘좌우대칭’도 있으나, ‘시간 대칭’ ‘공간 대칭’ ‘전하 대칭’ 등 낯선 용어가 등장한다.
   
   양 교수는 시간의 대칭성을 이렇게 표현했다. “오늘 한 물체가 위에서 아래로 떨어지는 데 1초가 걸렸다면, 내일 시험을 해도 같은 시간인 1초가 걸려야 한다. 시간에 무관하게 물리학은 똑같아야 한다. 공간의 대칭성도 비슷하다. 한국에서 낙하 시간이 1초였다면 영국 맨체스터에서도 1초여야 한다.”
   
   현대의 물리학자들은 이 대칭성을 나침반으로 삼아 새로운 물리학을 개척해왔다. 새로운 대칭성을 찾다 보면 새로운 물리량이 확인됐다. 특정 대칭성에는 그에 대응하는 보존 물리량이 있었다. 물리계의 대칭성과 보존량과의 관계를 설명한 물리법칙을 ‘뇌터의 정리’라고 한다. 뇌터 정리는 독일 괴팅겐대학의 여성 물리학자 에미 뇌터가 1915년에 증명했다.
   
   양운기 교수는 “그런데 모든 게 대칭적이면 한편으로는 없는 것과 같다”라는 표현을 했다. 대칭은 깨져야 하며, 실제로 우주는 대칭이 조금씩 깨져 있다는 것이다. 그는 물속에 살고 있는 물고기를 예로 들었다. 물고기는 자신이 물속에 살고 있는지 모른다. 일부 공간의 물을 없애거나, 물속에 버블이 있어야 자신이 물속에 있는 줄 알 수 있다. “버블은 내가 있는 세상의 일부가 없어진 것이다. 그럼으로써 물고기가 살고 있는 세상의 모습을 드러냈다.”
   
   그는 “자연은 비대칭적인 시스템”이라고 했다. 가령 우주는 태초에 물질과 반물질의 양이 같은 대칭성을 갖고 시작했다. 하지만 그 대칭성이 깨져서 오랜 시간 후에 반물질은 모두 사라졌고, 지금처럼 물질만이 가득 찬 우주가 되었다고 했다. 약한상호작용 현상은 거울을 통해서 보면 다르게 나타난다. 왼손잡이와 오른손잡이의 대칭성이 깨지는 것이다. 특히 중성미자는 왼손잡이 입자만 관측이 되고 오른손잡이 입자는 보이지 않는다. 깨진 대칭성을 이해하기 위해서 양운기 교수는 오른손잡이 중성미자를 찾아 나섰다.
   
   양 교수는 “새로운 힘이 있으면, 그 대칭을 만족시키는 입자가 있어야 한다”면서 질량과 관련된 잃어버린 대칭성을 찾고 있다고 말했다. 양 교수가 칠판 한쪽에 써놓은 ‘양자우주에서의 대칭성 탐사’라는 글씨 아래 뭔가 써 있는 게 있었다. ‘①질량에 관한 잃어버린 대칭성. 전기를 띤 힉스, 오른손잡이 중성미자 검출 ②힘에 관한 잃어버린 대칭성’.
   
   이 중 첫 번째 질량 관련 내용이 양 교수 개인의 연구였다. 그는 “전기를 띤 힉스입자나, 오른손잡이 중성미자를 발견하면 그건 새로운 대칭성이 있다는 것”이라고 말했다. 힉스입자는 2012년 제네바의 CERN에서 발견된 바 있고, 질량을 주는 입자라고 알려져 있다. 그런데 양 교수는 이제 힉스입자 중에서 전기를 띠고 있는 게 있는지 그 여부를 말하고 있다. 오른손잡이 중성미자 얘기는 주간조선의 앞선 연재에서 나온 바 있다. 서울과기대의 강신규 교수로부터 충분히 설명 들은 바 있다. 입자물리학의 큰 미스터리 중 하나라고 했다.
   
   양 교수는 질량의 기원을 규명하는 연구와 관련, 힉스입자가 한 종류인지, 다섯 종류인지를 확인하는 작업을 하고 있다고 했다. 초대칭이론에 따르면 힉스입자는 다섯 종류일 수 있고, 그중에서도 전하를 가진 입자가 있을 수 있다. 때문에 전기를 띤 힉스입자를 찾으면 표준모델에서 설명할 수 없는 ‘초대칭성’ 같은 새로운 대칭성이 우주에 존재하는 걸 확인할 수 있게 된다고 했다.
   
   중성미자 연구도 양 교수는 오래전부터 해왔다. 박사과정 학생이던 페르미연구소에서부터 중성미자를 연구했다. 중성미자는 전기적으로 중성이며 가벼운 입자다. 왼쪽으로 돌며 앞으로 움직이는 왼손잡이만 지금까지 확인했고, 그 반대방향으로 ‘스핀’하는 오른손잡이는 발견되지 않았다. 양 교수는 “오른손잡이 중성미자 발견은 힉스입자보다 더 큰 발견이 될 것”이라고 말했다.
   
   

   고에너지실험시설 후진국 한국
   
   그는 LHC에서 보내오는 데이터를 들여다보면서 ‘전기를 띤 힉스입자’와 ‘오른손잡이 중성미자’의 흔적을 찾고 있다. 양 교수는 새로운 대칭성을 만족시키려면 새로운 입자가 있어야 한다며, LHC를 통해 새로운 입자를 찾는 작업을 “절반 정도 했다”라고 말했다. 데이터는 5% 정도 봤지만, 그런 입자가 있다면 머지않아 찾을 수 있을 것이라고 했다.
   
   양 교수는 개인적인 연구 외에, 한국 CMS 대표로도 2016년부터 일하고 있다. 한국 CMS그룹은 스위스 제네바의 유럽핵입자물리연구소(CERN)와의 협력 사업이다. 이 그룹에서는 모두 120명이 일한다. 교수 18명, 박사 20명, 대학원생 70명이다. 양 교수는 “대학원생 수가 4년 전 40명에서 갑절 가까이 늘었다. 물리학 분야 연구자 수가 한국에서 줄어들고 있는 것과는 다르다. 관심과 연구 열기가 높다”라고 말했다. 양 교수는 CERN에 CMS그룹 소속 연구자를 파견하고 있다. 미국 로체스터대학 유학 당시 지도교수가 자신을 페르미연구소에 보냈듯이, 그도 박사과정 4명과 박사 연구원 3명을 장기파견하고 있다. 이들은 통상 1년 정도 체류하며 지상최대의 입자가속기(LHC)에서 나오는 실험 데이터를 갖고 연구한다. 양 교수는 연구활동비 제약 때문에 젊은 연구자를 더 파견할 수 없는 걸 안타까워했다.
   
   양 교수는 “120명인 한국 CMS그룹의 연구비가 1년에 29억원밖에 안 된다. 그나마 약간 증액된 게 그렇다”며 아쉬움을 토로했다. 한국 CMS그룹의 연구는 한국연구재단으로부터 예산지원을 받고 있다.
   
   그는 “한국 CMS팀이 8명의 교수를 배출했으며, 지난 3년간의 성과에 대한 한국연구재단의 평가에서도 최고등급인 S등급을 받을 정도로 업적을 인정을 받고 있다”고 자랑했다.
   
   무려 4시간 반이 걸린 인터뷰는 흥미로웠다. 7급 공무원이 되겠다던 그는 서울대 교수가 되었고, 서울대에서도 가장 우수한 그룹을 가르치고 있다. 반전을 거듭하며 안 보이던 길을 만들어온 성공신화를 들은 듯했다.
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