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[2567호] 2019.07.22
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[과학 연구의 최전선]페르미연구소가 자랑하는 실험물리학자 유재훈

photo 한준호 영상미디어 기자
미국 시카고 외곽에 있는 페르미 국립가속기연구소의 본관 건물은 영어 Y 자를 뒤집어놓은 모양이다. 입자물리학자들은 대칭(symmetry)을 지도로 삼아 새로운 물리학을 개척해왔는데 페르미연구소 본관 디자인은 그런 대칭을 상징한다. 15층 건물 가운데가 위로 높게 뚫려 있는 독특한 형태다. 미국을 대표하는 고(高)에너지 연구소인 이곳에는 현재 한 한국 학자의 사진이 담긴 대형 포스터가 걸려 있다. 유재훈 텍사스대학(알링턴) 물리학과 교수가 주인공이다.
   
   “지난해 6월 스위스 제네바에 있는 유럽핵입자물리연구소(CERN)에서 찍은 사진이다. 당시 내가 알루미늄으로 ‘전기장 필드케이지(electric field cage)’를 만들었다. 2017년 텍사스대학교에서 학생 12명과 케이지 부품들을 만들었고, 그걸 스위스로 갖고 가서 지난해 초 조립했다. 조립에 6개월이 걸렸다. 완성 뒤 알루미늄 방 모양의 ‘필드케이지’에 들어가 기념사진을 찍었는데 페르미연구소 측에서 그걸 홍보용 포스터로 제작했다.”
   
   
   중성미자 연구를 위해 만든 ‘필드케이지’
   
   지난 7월 8일 유재훈 교수를 대전 카이스트(KAIST)에서 만났다. 유 교수는 카이스트에서 열린 ‘미래 입자가속기’ 워크숍에 참석하기 위해 1주일 일정으로 한국에 왔다. 실험물리학자인 그는 고려대 물리학과(1979학번) 출신이다. 그가 제작한 ‘필드케이지’는 미국 페르미연구소의 차세대 DUNE(Deep Underground Neutrino Experiment·심층 지하 중성미자 실험 장치) 실험을 위한 장치. DUNE은 중성미자를 연구하기 위한 대규모 국제 실험이다. ‘필드케이지’는 알루미늄 패널을 빙 둘러 만든 가로·세로·높이가 각 6m인 장치로, 600t의 액체 아르곤으로 채워지는 초저온 용기(cryostat) 안에 들어간다. 필드케이지 안에만 아르곤 300t이 들어간다. 중성미자가 필드케이지 내 액체 아르곤을 지나가면서 아르곤 원자핵과 반응을 일으키는데 이때 나오는 (전기를 띤) 2차 입자들의 궤도를 추적, 중성미자가 통과했는지 아닌지를 확인한다. 하루 10개 정도의 중성미자가 검출될 것으로 예상된다.
   
   유 교수가 만든 필드케이지는 아르곤 액체 속에 잠겨 있으면서 균일한 전기장을 만들어내는데 그게 기술이다. 그러지 않으면 중성미자 검출기가 제대로 작동하지 않는다고 한다. 필드케이지에는 60만V(볼트)의 전기가 사용된다.
   
   “내가 만든 ‘필드케이지’는 2026년 시작하는 DUNE 실험을 앞둔 시제품(Prototype)이다. DUNE 실험은 검출기를 두 가지 타입으로 제작하고 있다. 나는 그중에서 유럽 팀이 만들고 있는 검출기(dual phase) 제작에 참여하고 있다. 미국 팀은 다른 검출기(singlephase)를 개발하고 있다.”
   
   
   “DUNE은 페르미 존망이 걸린 실험”
   
   유 교수가 유럽이 추진 중인 DUNE 실험 검출기 프로젝트에 참여한 건 2015년 가을부터 다음해 6월까지 CERN에서 연구년을 보낸 게 인연이 됐다. 이때 연구비 조성에 도움을 준 프랑스 연구자의 요청에 따라 유럽 검출기 타입의 원리를 검증하는 일을 도왔다. 연구년을 마치고 제네바를 떠날 때쯤 그 프로젝트 책임자로부터 필드케이지 제작을 제안받았다. 책임자는 안드레 루비아. 노벨 물리학상 수상자(1984년)이자 CERN의 전설적 실험물리학자인 카를로 루비아의 아들이다. 안드레 루비아는 DUNE 실험의 초대 공동대표를 맡은 바 있다. 유 교수가 소속된 알링턴-텍사스대학은 현재 미국 기관으로는 유일하게 이 유럽 프로젝트에 참여하고 있다. 알링턴은 텍사스주 대도시인 댈러스와 포츠워스 사이에 있다.
   
   유 교수는 “DUNE은 페르미연구소의 존망이 걸린 실험”이라고 강조했다. 1967년에 문을 연 페르미연구소는 그동안 톱쿼크(1995) 등 기본입자를 발견해 세계 입자물리학을 이끌었는데 그걸 가능하게 한 게 입자충돌기 테바트론이었다. 테바트론은 지름 6.3㎞의 원형 크기로, 페르미연구소 본관 인근 지하터널에 설치돼 있다. 그러나 미국 정부는 그동안 페르미연구소의 시설을 업그레이드하지 않았고, 텍사스에서 진행 중이던 차세대 입자가속기 프로젝트도 1993년 중단시켰다. 그 결과 세계 고에너지 물리학의 중심은 미국에서 유럽으로 넘어갔다. 유럽은 유럽핵입자물리연구소가 있는 스위스 제네바에서 새로운 입자가속기를 계속 만들어왔다. 2008년 가동에 들어간 거대강입자충돌기(LHC·입자가속기 길이 27㎞)는 세계 최고를 자랑하고 있다.
   
   유재훈 교수는 자신의 유럽 측 실험 참여에 대해 이런 식으로 의미 부여를 했다. “페르미연구소는 DUNE 실험 성공을 위해 많은 나라의 참여를 이끌어내려 하고 있다. 당초 유럽과 미국이 각각 중성미자 실험을 추진했으나, 유럽고에너지커뮤니티의 2013년 결정과 미국고에너지커뮤니티의 2014년 결정에 따라 두 실험을 통합해 단일 실험으로 하기로 바꿨다. 그렇기에 내가 유럽 측 프로젝트에 참여한 건 미국 입장에서도 매우 환영할 만한 일이다. 우리 팀이 DUNE에 절실하게 필요한 ‘국제성’을 주는 고리 역할을 한다고 본다. 내가 2016년 필드케이지 제작을 위한 연구제안서를 냈을 때 제안서를 검토한 미국 에너지부의 고에너지 분야 담당자는 흔쾌히 지원을 결정했다. 페르미연구소의 나이겔 라키어 소장도 내 연구가 매우 중요하다고 생각한다.”
   
   현재 DUNE 실험에는 30개국의 175개 기관이 참여하고 있다. 한국에서는 중앙대학교(김시연 교수)와 KAIST(조기현 교수)가 참여하고 있다.
   
   
   “중성미자를 잘 이해 못 하고 있다”
   
   DUNE 실험은 페르미연구소가 짓고 있는 양성자 대량 생산 시설을 이용한다. 양성자들을 고정 타깃에 쏘아 때리면 양성자들이 부서지면서 중성미자가 대량으로 나온다. 이 중성미자들을 1300㎞ 떨어진 사우스다코타주 도시 리드(Lead)에 있는 샌퍼드연구소로 보내게 된다. 실험에는 ‘근거리 검출기(near detector)’와 ‘원거리 검출기(far detector)’라는 두 개의 검출기가 동원되는데 가까운 검출기는 페르미연구소에 설치돼 중성미자가 만들어졌을 때 어떤 종류가 얼마의 에너지를 갖고 있는지 확인한다. 이후 중성미자는 지하 암반을 거쳐 원거리 검출기를 향해 날아간다. 원거리 검출기는 폐금광 지하 1500m에 설치되는데 4층 높이, 7만t 무게의 규모다. 스위스 제네바에서 유 교수가 만든 시제품보다 25배나 큰 규모다. 원거리 검출기는 페르미연구소에서 쏜 중성미자가 어떤 에너지를 가지고 도착했는지를 확인하면 어떤 종류의 중성미자로 변했는지 알 수 있다.
   
   유 교수는 “중성미자를 입자물리학자들은 잘 이해하지 못하고 있다. DUNE 실험을 통해 중성미자의 특성을 정확히 알아내야 한다”고 말했다. 오래도록 중성미자의 질량이 없는 줄 알았는데 질량이 있다는 게 일본 수퍼가미오칸데 실험과 캐나다 스노 실험에서 2000~2001년에 드러났다. 입자물리학자들은 크게 당황했고 들떴다. 우리가 자연을 이해하기 위해 오랜 시일에 걸쳐 만들어온 설명이 틀린 걸로 드러난 한편 새로운 물리학의 도래를 의미했기 때문이다.
   
   중성미자는 세 가지 종류가 있다고 알려져 있다. 전자중성미자, 타우중성미자, 뮤온중성미자다. 그런데 학자들은 이 중성미자들의 가장 근본적인 성질인 질량도 모르고 있다. 세 중성미자 사이의 질량이 어떻게 다른지까지만 알아냈다. 중성미자는 다른 물질과 아주 약하게 반응한다. 그래서 검출하기가 쉽지 않다. 중성미자는 운동하면서 ‘진동’을 하며 다른 중성미자로 바뀐다. 페르미연구소가 DUNE 실험의 두 검출기를 서로 1300㎞ 떨어진 지점에 설치한 이유에 대해 유재훈 교수는 “중성미자가 최대로 많이 바뀔 만한 지점에 ‘원거리 검출기’를 설치하는 것”이라고 설명했다.
   
   그런데 그는 중성미자 검출기 시제품을 어떻게 제작할 수 있게 된 것일까. 유 교수는 “그 얘기를 하려면 박사 공부하던 시절로 돌아가야 한다. 알루미늄으로 필드케이지를 만드는 건 어렵지 않다. 경험이 많으면 어떤 검출기든 만들 수 있다”고 말했다.
   
   유재훈 교수는 고려대 물리학과를 졸업하고 1987년 미국 뉴욕주 롱아일랜드 스토니브룩에 있는 뉴욕주립대학으로 박사학위 공부를 하러 갔다. 당시 그는 페르미연구소가 새로 만들고 있던 두 번째 입자검출기 ‘D0’(‘D제로’라고 발음한다) 실험에 참여했다. D0는 입자충돌기 테바트론에 붙어 있다. 이때 D0 검출기에 들어갈 모듈 부품인 ‘칼로리미터’를 그가 만들었다. 입자검출기에 어떤 입자가 들어오는지 그 에너지는 얼마인지를 측정하기 위해 필요한 장치가 칼로리미터라고 한다. “양성자와 반양성자가 충돌하면 많은 2차 입자가 나온다. 2차 입자가 무엇인지 알려면 그 에너지를 재야 한다. 이를 위해서는 입자를 부수면 된다. 이때 입자가 이온화되는 걸 재면서 에너지를 측정하는 거다. 당시 나는 막 개념이 나온 장치인 칼로리미터를 우라늄과 액체 아르곤으로 만들어냈다.”
   
   당시 유 교수는 스토니브룩 인근의 국립브룩헤이븐연구소(핵물리)에서 칼로리미터를 만들었는데 그때 만든 모듈을 시카고 인근에 있는 페르미연구소(입자물리)로 갖고 갔다. 이후 학적은 뉴욕주립대학에 있었으나 공부는 내내 멀리 떨어진 페르미연구소에서 했다. 그리고 이때부터 지금까지 30년이 넘게 페르미연구소와의 인연을 이어가고 있다.
   
   
▲ 유재훈 교수가 스위스 제네바의 유럽핵입자물리연구소(CERN)에 만든 ‘전기장 케이지’. 제작을 마친 뒤 안에 들어가 기념사진을 찍었다. photo CERN

   30년간 이어진 페르미연구소와의 인연
   
   1993년 박사학위 논문은 자신이 제작에 참여한 D0 검출기를 가지고 썼다. 1992년 가동을 시작한 D0는 테바트론에서 가동된 두 번째 입자검출기이다. CDF가 가장 먼저 가동된 입자검출기이다. “D0 실험으로 논문을 썼다. 실험장치를 만든 기술을 가지고 논문을 쓰는 사람도 있으나, 나는 내가 만든 검출기에서 나온 데이터를 가지고 논문을 썼다. 제일 먼저 논문을 쓰려 했으나, 나보다 1주일 먼저 쓴 사람이 있어서 내 학위 논문은 D0 실험데이터로 쓴 두 번째 박사 논문이 되었다.”
   
   그는 학위를 받고 두 번의 박사후연구원으로 일하면서도 매번 몸은 페르미연구소에 있었다. 뉴욕주 로체스터대학 박사후연구원 때도 D0 실험에 계속 참여했다. 당시 D0 실험은 현재의 우주에는 없는 톱쿼크라는 입자를 찾는 게 이슈였다.
   
   두 번째 박사후연구원은 페르미연구소가 돈을 댔는데, 이때는 1.5㎞ 길이의 빔 라인을 제작했다. “검출기에 특정한 운동량을 가진 특정한 입자를 보내는 보정 빔라인이었다. 이 빔 제작 책임을 맡으면서 가속기에 대해 많이 배웠다.” 당시 실험은 ‘NuTeV’라고 불렸는데 이를 위한 빔의 원리는 다음과 같다. ‘빔 입구로 양성자들이 들어오면 그걸 고정 타깃에 충돌시켜 2차 입자를 얻는다. 그러면 많은 입자가 나온다. 그중에서 원하는 입자를 골라내야 한다. 자석을 사용해 원하는 입자를 얻는데 원하는 입자가 전기를 띠고 있어야 한다. 중성미자처럼 전기를 띠고 있지 않은 입자를 얻으려면 나머지 전하를 띤 입자를 걸러내버리면 된다.’
   
   NuTeV 실험은 양성자와 중성자가 어떤 내부 구조를 갖고 있는지를 보기 위해 시작했고, 약력과 전자기력이 어떤 세기로 합쳐져 있는가를 측정하는 게 또 다른 목적이었다고 했다. 자연을 이루는 네 개의 힘에 속하는 약력과 전자기력은 원래 하나의 힘이었으나, 우주의 온도가 내려가면서 두 개의 다른 힘으로 나눠졌다.
   
   페르미연구소의 입자충돌기인 테바트론에서 필요한 입자를 골라내는 보정 실험 빔 제작은 성공적이었다. 이때 그는 ‘중성미자 빔’ 제작에도 참여했다. 중성미자 빔을 만들 때 쓴 기술보고서가 현재 미 의회 도서관에 보관돼 있다. 당시 연구소 측은 그에게 “새로운 빔을 만들었으니 제작보고서를 써라. 의회 도서관에 보내니 잘 써라”며 주문했다고 한다. 그의 실험 빔 제작이 좋은 평가를 받았기 때문이 아닌가 싶다.
   
   두 번의 박사후연구원 생활이 끝난 1998년 그는 페르미연구소의 선임연구원이 되었다. 그리고 다시 D0 실험으로 돌아왔다. 이때 D0 검출기는 업그레이드를 앞두고 있었는데 이 기간 중 그는 650명의 D0 공동연구자를 이끌고 업그레이드 시운전을 성공적으로 해냈다.
   
   “업그레이드 검출기 시운전 관련해 매니지먼트 쪽에서 설명을 하는데 만족스럽지 않았다. 누구도 책임을 지고 어떻게 하겠다, 해야 한다는 말을 하지 않았다. 내가 이걸 따지고 들었다. 끝까지 따졌다.”
   
   그랬더니 ‘그럼 네가 해봐라’는 식으로 일이 진행됐다. 유재훈 박사는 업그레이드 시운전 책임을 맡아 2000년부터 2001년 중순까지 팀을 이끌었다. “성공적으로 해냈다. D0 말고, 또 다른 입자검출기로 CDF가 있는데 현재 시카고대학 물리학과장으로 일하는 김영기 박사가 당시 CDF 업그레이드 시운전을 책임지고 있었다. 한국인 두 명이 세계 최고의 입자충돌기의 두 실험시설 업그레이드를 이끌었던 셈이다.”
   
   두 사람은 고려대 물리학과 선후배. 유 교수가 김영기 교수보다 한 학번 빠른 선배다. 고려대 물리학과는 실험 전통이 강하다는 얘기를 들어왔는데, 실제 고려대 출신 실험물리학자 두 사람이 세계 최고의 페르미연구소에서 동시에 맹활약했다는 얘기를 들으니 대단하다는 생각이 들었다.
   
   유 교수는 이후 알링턴-텍사스대학 물리학과 교수로 자리를 옮겼다. 그럼에도 페르미연구소와는 실험장비 사용자로서 계속 관계를 이어갔다. D0 실험에 필요한 그리드 컴퓨팅시설을 구축하는 일을 책임지기도 했다. 그는 미국 남부 텍사스에서 북쪽 일리노이주에 있는 페르미연구소까지 1000마일(1600㎞)을 차를 몰고 가서 여름철 한 달씩 머무르며 연구했다고 한다.
   
   그러다가 2005년부터 유럽으로 시선을 돌렸다. D0 실험이 끝나면서 그간의 연구와 이어지는 실험을 찾았다. 유럽이 새로 만드는 CERN의 입자충돌기 실험에 참여해 CERN의 주요 2개 검출기 중 하나인 아틀라스 검출기 제작과 아틀라스 팀의 컴퓨팅 인프라 구축에 기여했다. 그리고 2012년 CERN이 힉스입자를 발견하는 데도 참여했다. 힉스입자가 발견됐을 때 미국 텍사스주 댈러스 등에 기반을 둔 CBS방송과 ABC방송이 그를 인터뷰하기도 했다.
   
   
   “중성미자로 새로운 물리학을 찾는다”
   
   그의 짧지 않은 이야기가 이제 한 바퀴를 돌았다. 그가 CERN에서 만든 ‘필드케이지’가 들어간 중성미자 입자검출기 시제품은 8월 가동에 들어간다. 현재 액체 아르곤을 채우는 작업이 진행되고 있다. 그의 박사과정 학생이 현장에서 작업에 참여하고 있다. 그는 이 검출기에 전압을 처음 거는 일을 하고 싶다고 했다.
   
   유재훈 교수는 “앞으로 30년간, 늙어서 자리에서 일어날 수 없을 때까지 계속 연구할 계획”이라고 했다. 환갑에 근접한 나이이니, 30년 후면 90살이다. 미국 대학은 본인이 원하지 않는 한 정년퇴직이라는 게 없으니 불가능한 말은 아니다. 그럼에도 나는 그의 말을 듣고 놀라지 않을 수 없었다. 그는 특히 “입자빔을 이용한 암흑물질 연구를 할 생각”이라고 했다. DUNE 실험은 중성미자의 물리적 특징을 알아내기 위한 실험이다. 그런데 그는 중성미자 실험 속에서 어떻게 암흑물질 연구를 하겠다는 것일까. 그는 2014년 페르미연구소 워크숍에서 DUNE 실험에서 암흑물질을 검출하고 입자빔을 만들 수 있는 아이디어를 제시한 바 있다. “아이디어는 간단하다. 자석을 추가로 집어넣으면 다른 물질을 골라내고 암흑물질만 얻을 수 있다.” 그는 “나는 현재 DUNE 실험에서 표준모형 너머의 물리학(BSM)을 찾고 있는 팀을 이끌고 있다. 그리고 중성미자 실험을 통해 이 분야를 어떻게 더 깊이 연구할 수 있는지를 찾고 있다”고 했다. 실험물리학자로 사는 게 무엇인지를 배운 취재였다.
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