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[2545호] 2019.02.18
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[과학 연구의 최전선]입자물리학자 서울과기대 박명훈 교수

표준모형 너머 새로운 물리학을 찾아 나서다

최준석  선임기자 

photo 이신영 영상미디어 기자
서울과학기술대의 박명훈 교수(이론-입자물리학)는 밤 12시 가까이 되어 마지막 트램(노면 전차)을 타고 스위스 제네바 시내의 아파트로 퇴근했고, 다음날 아침 역시 보통 때와 다름없이 트램을 타고 20분간 달려와서 8시 직전 ‘CERN’이라고 쓰여 있는 역에서 내렸다. 박 교수는 2012년 7월 14일 당시 유럽핵입자물리연구소(CERN)에서 박사후연구원으로 연구하고 있었다. 이날 CERN은 “입자에 질량을 주는 입자인 힉스입자를 발견했다”고 발표했고, 젊은 연구자이던 박 교수는 입자물리학의 한 페이지를 쓰는 현장을 보았다.
   
   CERN에서 전날 밤 퇴근할 때, 지금은 전북대 교수로 일하는 박완일 박사가 힉스 기자회견이 열릴 강당에 자리를 미리 잡고 있는 걸 보았다. 그런데 아침에 출근해서 보니 회견장으로 들어가려는 사람들의 줄이 길어 들어갈 수가 없었다. 그래서 이론물리학자를 위한 건물 4층에서 다른 사람들과 힉스입자 발견 기자회견을 지켜봐야 했다.
   
   CERN의 힉스입자 발견은 대단한 성과였다. 그건 이듬해인 2013년 힉스입자 발견을 이론적으로 예측했던 두 학자(피터 힉스, 프랑수아 앙글레르)가 노벨물리학상을 받은 데에서도 나타난다. 영국인 힉스는 대형중이온충돌기(LHC)에서 실험을 통해 확인하기 48년 전인 1964년 ‘힉스 메커니즘’을 주장한 바 있다. 힉스 메커니즘은 빅뱅 직후 무한히 뜨거웠던 우주가 식으면서 ‘질량’이라는 물리적 특징이 나타났다고 설명한다. 우주가 힉스입자의 에너지 크기인 1260억전자볼트(126GeV)까지 식었을 때 힉스 메커니즘이 우주에 출현했으며, 당연히 그 이전에는 우주에 질량이라는 게 없었다고 한다.
   
   힉스입자 발견으로부터 8년 반 정도가 지났다. 힉스입자가 발견되었다고 2012년에 요란하게 발표가 되었기에 그걸로 ‘질량’ 관련 미스터리는 해결된 줄 알았다. 그런데 그렇지 않다. 지난 1월 23일 서울과학기술대의 어의관 내 연구실에서 만난 박명훈 교수는 “이제 첫발을 떼었을 뿐”이라고 말했다. 그는 “힉스를 정밀하게 이해해야 한다”고 덧붙였다.
   
   그가 2년간 일하고 CERN을 떠나온 지 몇 년 됐으나 지금도 시선은 CERN을 향해 있다. CERN이 갖고 있는 지상 최대 규모의 입자충돌기인 LHC에서 뭔가 새로운 입자를 발견했다는 소식이 나오는지에 다들 귀를 기울이고 있다.
   
   CERN이 수조원을 들여 대형중이온충돌기를 제네바 지하에 만든 건 두 가지 이유가 있다. 그 첫 번째가 힉스입자 발견이다. 27㎞ 터널을 뚫어 진공 파이프를 가설하고 그 파이프 안을 양성자들이 광속으로 달리게 했다. 양성자들과 양성자들은 반대 방향에서 달려와 충돌한다. 2008년에 첫 번째 양성자 빔을 만들어내는 데 성공했고, 2010년 본격적인 충돌 실험에 들어간 후 2년 만인 2012년 7월 힉스입자를 발견했다. 이 이벤트는 유럽이 세계 핵물리학과 입자물리학의 중심지임을 확인하는 일이기도 했다. 미국은 LHC만 한 입자가속기를 갖고 있지 않다.
   
   힉스 발견 이후 CERN의 실험물리학자들은 LHC의 두 번째 목표에 집중했다. 그 입자의 이름은 ‘초대칭(supersymmetry)입자’이다. ‘초대칭입자’는 새로운 물리학이 있음을 드러내는 증거다. 그 새로운 물리학의 이름은 ‘초대칭이론’이다. 박명훈 교수도 LHC의 물리학자가 ‘초대칭입자’를 발견하기를 기다려왔다.
   
   입자물리학자는 20세기 초반부터 물질을 이루는 기본입자가 무엇인지를 알아내기 위해 분투했다. 그 결과 ‘표준모형’이라는 모델을 만들어냈다. 물질은 모두 17개의 기본 입자로 구성됐다고 표준모형은 말한다. 물리학자가 처음 발견한 기본입자는 전자다. 1897년 영국 물리학자 J. J. 톰슨이 케임브리지대학의 캐번디시연구소에서 확인했다. 표준모형이 예측한 마지막 입자가 힉스입자다. 표준모형의 마지막 미스터리를 해결하는 데 115년이 걸렸다.
   
   그런데 이 표준모형은 완벽하지 않다. 가령 표준모형은 우주를 이루는 물질과 에너지의 5%밖에 설명하지 못한다. 우주에는 암흑물질(dark matter)과 암흑에너지(dark energy)라고 불리는 미지의 물질과 에너지가 있다는 걸 과학자들은 20세기 중반 이후에 알아냈다. 암흑물질은 전체 우주의 물질과 에너지 중 27%, 암흑에너지는 나머지 58%를 차지한다. 한마디로 인류는 우주의 95%가 무엇으로 만들어졌는지를 모른다. 표준모형은 우주의 5%만 설명하는 모델인 것이다.
   
   그래서 박명훈 교수와 같은 입자물리학자는 ‘표준모형 너머’의 새로운 물리학을 찾고 있다. 그 새로운 물리학으로 가는 첫 문은 ‘초대칭입자’라고 생각해왔다. 초대칭입자는 ‘초대칭이론’이 예측한 입자다. 입자물리학계는 초대칭입자가 있을 것으로 확신하며 이들에게 다양한 이름까지 붙여놨다. 표준모형에 들어 있는 17개 입자는 모두 ‘초대칭짝(superpartner)’을 각기 하나씩 갖는다는 것이다. 그런데 실험물리학자들이 LHC에서 아무리 뒤져도 ‘초대칭입자’가 있다는 실험 데이터가 나오지 않고 있다. 현재 분위기는 ‘LHC에서 더 잘 찾아봐야 한다’와 ‘LHC보다 강력한 차세대 입자충돌기를 빨리 만들고 그 충돌기에서 찾아야 한다’는 두 갈래로 나뉘고 있다. ‘초대칭입자’는 당초 1조전자볼트(TeV·테라전자볼트) 이내의 에너지대에서 발견될 것이라고 예측됐다.
   
   초대칭이론은 박명훈 교수의 선배 연구자들이 내놓은 것이다. 박 교수는 학생으로서 교과서에서 이 이론들을 배웠다. 초대칭이론을 오래도록 이론으로 가다듬어온 물리학자들은 LHC에서 초대칭입자가 나오지 않자 낙심이 크다. 일부는 “입자물리학은 끝났다”며 우울증에 걸렸다는 얘기도 들린다.
   
   박명훈 교수는 40대 초반의 젊은 물리학자다. 낙심한 일부 선배 연구자와는 달리 그에게서는 에너지가 느껴진다. 그는 “새로운 입자가 발견되지 않는 현재를 나 같은 세대는 도전해야 할 상황이라고 본다. 최근에 미국 입자물리학자 스티븐 와인버그(1979년 노벨상)가 말했듯이 우리 세대는 ‘다음 큰 발걸음(Next Big step)’에 참여할 기회를 부여받은 것이다”라고 말했다.
   
   박명훈 교수에게 ‘이론-입자물리학자로서 모르고 있는 게 무엇인가? 신을 만나면 묻고 싶은 게 무엇인가’라고 물었다. 그는 “새로운 물리학을 알리는 입자가 얼마의 질량을 갖는 것인지 묻고 싶다”고 말했다. “그 질량만 알려주면 새로운 물리학의 나머지는 우리가 꿰어맞추겠다”며 웃었다.
   
   
   ‘정밀힉스물리학’의 세계
   
   박명훈 교수는 “일단은 LHC를 쥐어짜야 한다”며 “LHC 자료를 정밀하게 들여다보고 새로운 물리학의 단서가 숨어 있는지를 확인해야 한다”고 말했다. 이런 입자물리학 연구를 ‘정밀힉스물리학(precision higgs physics)’이라고 부르며, 박 교수도 ‘정밀힉스물리학’ 연구에 힘을 쏟고 있다. 그는 “힉스의 속성을 잘 파악해야 한다”면서 “힉스는 새로운 물리학으로 가는 등대”라고 말했다.
   
   박 교수는 이론가 중에서도 ‘입자현상론’ 연구자다. 현상론이란 말은 철학에서 들어본 듯한데, 물리학에도 이런 분야가 있는 줄 몰랐다. 입자현상론 연구자는 입자충돌기 실험에서 확인할 수 있는 게 무엇일까를 생각하고 이론을 만든다. 때문에 LHC를 운영하는 실험물리학자와 긴밀하게 대화한다. 예로, 박 교수는 2012년 힉스 발견 당시 LHC 실험팀과 협업하여 힉스의 스핀을 측정하는 분석 방법을 개발하였다. 입자현상론 연구자 말고는 순수이론가가 있다. 순수이론 연구가는 당장에 실험으로 확인할 수 없다 할지라도 우주를 이루는 최소 조각이 뭔지를 설명하기 위해 무제한의 상상력을 발휘한다. ‘끈이론(string theory)’이 대표적인 순수이론 그룹이다.
   
   박 교수를 만났을 때 사진기자 이신영씨와 동행했다. 취재 시간이 길어질 듯하여 사진기자가 먼저 작업을 하게 했다. 이론-입자물리학자에게 장비가 있을 리도 없고, 책상 앞에서 이야기하는 모습을 찍어야 하나 생각했지만 이는 잘못이었다. 박 교수에게 사진 촬영 아이디어를 묻자 ‘클러스터 컴퓨터’가 있다고 했다. 연구실과 같은 층 425호실에 가니 검은색의 캐비닛과 같은 컴퓨터 시스템이 있었다. GPU컴퓨터 등 가격이 9800만원이나 하는 미국 델 컴퓨터의 장비가 지난해 12월 들어왔다고 했다. 이날 취재를 갔을 때 이 클러스터 컴퓨터를 기존의 컴퓨터와 연결하는 작업을 전문가가 하고 있었다. 연구재단으로부터 장비를 지원받았으며, 모두 합하면 1억5000만원은 충분히 들어갔을 첨단 시스템이었다.
   
   박 교수는 새로운 시스템의 쓰임새에 대해 이렇게 설명했다. “제네바 LHC에서 일어나는 충돌 실험과 같은 실험을 컴퓨터 안에서 일으켜본다. 가상 충돌 실험이다. 몬테카를로 시뮬레이션으로 새로운 물리학이라고 내가 생각하는 모델을 집어넣는다. 그리고 가상 입자 충돌을 만들어보고, 그 결과를 LHC 실험 데이터와 비교한다. 그게 일치하면 ‘표준모형 너머’ 새로운 물리학을 설명하는 모델이 될 수 있다.”
   
   박 교수는 학부는 카이스트에서 물리학과 수학을 공부했고 석사는 서울대에서 물리학을 공부했다. 미국 플로리다대학(게인즈빌)에서 박사학위를 했다. 그는 “고등학교(전주 동암고) 다닐 때 물리 과목 점수는 60점을 받았다. 그런데 물리학자가 되었다”며 웃었다. 고교 때 물리 과목 점수가 낮았던 이유에 대해 “당시에는 수식을 외우는 게 한국 교육 방식이었던 탓이다. 더구나 미적분을 배우기도 전에”라고 말했다.
   
▲ 이휘소(Benjamin Lee) 박사의 1977년 논문. 힉스입자의 에너지 크기가 1TeV(조 전자볼트) 이하라고 처음으로 밝혔다.

   물리학자로 인도한 ‘소설 이휘소’
   
   그는 고교 시절에 부친이 ‘소설 이휘소’라는 작품을 사다줘서 읽은 게 물리학자의 길을 걷는 계기가 되었다고 했다. 이휘소는 미국 시카고 외곽에 있는 페르미연구소의 이론물리부장으로 일한 한국계 물리학자이다. 그 역시 입자물리학자였는데 1977년 비극적인 교통사고로 숨져 큰 충격을 준 바 있다. 박명훈 교수는 “이것이 벤저민 리, 즉 이휘소 박사가 1977년 2월에 발표한 논문”이라며 영어로 된 논문 사본을 보여줬다. 벤저민 리와 다른 두 명의 페르미연구소 학자가 쓴 ‘매우 높은 에너지에서의 약한 상호작용의 강도와 힉스 입자 질량’이라는 이름의 논문이었다. “힉스입자가 1TeV 아래의 에너지를 갖고 있을 거라고 이휘소 박사가 처음으로 힉스입자 질량의 한계를 알아냈다. 매우 유명한 논문이다.” 박명훈 교수에 따르면 이휘소 박사는 당대 입자물리학 연구의 최전선과 한복판에 우뚝 서 있었고, 자신보다 젊은 연구자의 뛰어난 연구를 알아보고 격려했다. 힉스입자란 이름도 이휘소 박사가 작명했다. 피터 힉스의 논문을 보고 “이거 재밌다. 이 입자에 이름을 붙여야겠다. 힉스입자라고 하자”라고 말했다는 것.
   
   박 교수가 박사학위 과정 때 공부한 게인즈빌 소재 플로리다대학은 ‘초대칭이론(SUSY) 아버지’라고 불리는 피에르 라몽, 끈이론의 대가인 찰스 손, 암흑물질 액시온 연구로 유명한 피에르 스키비, 양자색역학이론(QCD) 권위자 릭 필드, 그리고 박명훈 교수의 논문지도 교수가 될 콘스탄틴 T. 마체프(Matchev) 등이 있었다. 특히 박 교수가 유학을 떠날 시점에 스승인 마체프는 입자충돌기를 갖고 연구하는, 입자현상론 분야의 떠오르는 태양이라는 말을 듣고 있었다. 박명훈 교수는 그의 지도를 받으며 역시 ‘LHC 기반 입자현상론’ 연구자가 되는 길을 걸었다. 그리고 2011년 박사학위 논문을 쓰고, 한국과 CERN 간의 협력 프로그램으로 CERN이 있는 제네바로 박사후연구원 생활을 하러 떠났다. CERN을 마친 후 도쿄(카블리-IPMU)에서 한 차례 더 박사후연구원으로 일했다. 이후 포항공대(아시아태평양이론물리연구소), 기초과학연구원(IBS) 이론물리연구단(단장 최기운)을 거쳐, 현재의 서울 과기대에 교수로 부임한 건 2017년 8월이다.
   
   “힉스 메커니즘을 본 게 아니다. 현상을 본 것에 불과하다. 힉스입자 뒤에서 조정하는 게 뭔지를 알아야 한다. 그러려면 공부를 많이, 아주 많이 해야 한다.”
   
   그의 연구 관심사를 구체적으로 몇 개 들었는데 정리하자면 이렇다. △힉스입자는 단일 입자일까, 복합 입자일까? △‘힉스입자 포텐셜’은 왜 멕시코 모자 형일까? △그리고 톱쿼크(Top Quark)의 질량은 왜 이렇게 무거울까? △유카와 상호작용에 따른 결합상수는 왜 입자마다 다를까?
   
   모두 전문가 영역에서 거론되는 문제로 들렸다. 힉스입자가 단일 입자가 아닐 수 있다는 얘기는 내게도 알 듯 말 듯했다. 2012년 CERN 물리학자가 힉스입자를 검출했다고 했을 때 힉스가 외톨이인지, 외톨이가 아닌지 등의 의문이 제기됐다는 얘기는 들어본 기억이 없다. 박 교수는 힉스입자는 표준모형의 17개 기본입자 중 유일하게 스핀이 0이라고 했다. 스핀은 기본입자의 양자 상태를 가리키는 물리량 중의 하나다. 표준모형의 입자 두 개를 합해서 만들어지는 파이온과 같은 복합입자는 스핀이 0이다. 그래서 입자물리학계는 ‘힉스입자’ 역시 단일입자가 아니고 복합입자일 가능성도 고려하고 있다. “입자충돌기의 에너지를 더 높이고, 힉스입자를 깨보면 힉스가 단일입자인지, 복합입자인지 알 수 있다. 이게 확인되면 새로운 물리학이 있음을 알 수 있을 것이다.”
   
   
   “힉스에서 암흑물질이 만들어질 수 있다”
   
   박 교수는 또 힉스입자 연구가 암흑물질 이해를 새롭게 하는 돌파구를 열 수 있다고도 했다. 힉스입자는 두 개의 암흑물질로 붕괴할 수 있다는 것. 힉스에서 암흑물질이 만들어질 수 있다는 박 교수의 말은 솔깃했다. 그는 암흑물질 힉스와 일반물질 힉스가 상호작용할 것으로 생각한다고도 말했다. 박 교수가 말하는 내용이 어려워서 머리가 아팠다. 하지만 ‘정밀힉스물리학’ 연구가 새로운 물리학으로 가는 길을 열 수 있겠다는 건 알 수 있었다.
   
   박 교수는 ‘클리스터 컴퓨터’를 새로 들여오면서 ‘딥 러닝(deep learning)’을 이용한 연구도 새롭게 하고 있다. LHC에서 나오는 실험 데이터는 상상을 초월한다. 이 데이터에서 의미가 없는 ‘배경 잡음’을 제거하고 의미가 있는 ‘신호’를 찾아내는 ‘딥러닝’ 기법이 도움이 될 수 있다는 것이다. 효과적으로 배경 사건이나 잡음을 죽일 수 있다면 이는 실험물리학자에게는 낭보다. ‘만들어진 4개의 입자 중 2개는 안 보일 경우, 이들 입자들의 질량을 측정하는 방법’이 박명훈 교수가 쓴 논문 중의 하나다. ‘암흑물질이 질량을 갖는 방법을 가속기에서 확인하는 방법’에 관한 논문을 지난해에 쓰기도 했다. 박명훈 교수는 “대학 갈 때는 LHC라는 게 있는지도 몰랐다”며 웃었다. 세 시간 넘는 취재를 마치고 그의 차를 얻어 타고 서울 동북쪽 공릉에 자리 잡은 서울과기대 캠퍼스를 빠져나왔다. 젊은 물리학자의 설명은 따라잡기 힘들었으나, 물리학의 최전선 풍경을 본 건 확실했다.
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