미국 페르미연구소 전 부소장, 현 시카고대학 물리학과 학과장, 차기 미국 물리학회 입자물리분과위원장…. 입자물리학자(실험) 김영기의 화려한 이력에 입이 쩍 벌어진다. 페르미연구소가 어떤 곳인가. 세계 최고의 고에너지 입자물리연구소다. 2008년 유럽에 더 강력한 입자충돌기(LHC)가 건설되기 전까지 세계 입자물리학 실험을 호령하던 곳이다. 현재 우주에서는 볼 수 없는 톱쿼크 등 물질을 이루는 기본입자를 수없이 발견했다. 소설 ‘무궁화 꽃이 피었습니다’(1993)를 읽은 독자라면 주인공 이휘소 박사가 페르미연구소에서 이론물리부장으로 일했음을 기억할지도 모르겠다.

미국 입자물리학자 수천 명 대표

김 교수가 물리학과 학과장으로 일하는 시카고대학은 미국 중서부 최고의 명문 중 한 곳이다. 물리학자에게는 엔리코 페르미라는 이탈리아계 미국 물리학자가 1942년 최초의 핵분열 반응에 성공한 곳으로 기억되기도 한다. 또 김 교수는 내년부터 미국 물리학회 입자물리학분과위원장 임무를 맡는다. 이 자리는 미국 입자물리학자 수천 명을 대표한다. 뿐만 아니다. 김 교수의 이력서를 받아 보니 미국 밖의 활동이 많다. 유럽, 아시아, 심지어는 아프리카의 입자물리학 커뮤니티에서도 지도력을 발휘하고 있다.

김영기 교수를 지난 7월 8일 이후 세 번 만났다. 만나 보니 겸손하고 소탈하다. ‘내가 누구요’ 하는 느낌을 전혀 주지 않는다. 경북 경산 출신으로 대구에서 고교를 다녔고 고려대 물리학과 1980년 학번이다. 김 교수는 올해부터 3년간 초빙 특훈 학자(visiting distinguished scholar) 자격으로 카이스트를 여름마다 찾는다. 올해는 대전 카이스트에서 ‘미래 입자가속기’ 워크숍을 2주간 열었다. 워크숍이 없는 주말에는 서울에 와서 특강, 팟캐스트 출연, 언론 인터뷰를 했다. 내가 그를 처음 본 건 워크숍 첫날, 대전 카이스트 도서관 옆 건물 내 양승택 오디토리움에서였다. 워크숍 장소는 고에너지 물리학자들로 꽉 차 있었다.

박인규 서울시립대 교수, 양운기 서울대 교수, 유인권 부산대 교수, 정성훈 서울대 교수 등 ‘과학 연구의 최전선’을 취재하며 만난 한국 물리학자들이 보였다. 해외 참석자도 많았다. 일본의 유명한 입자물리학자(이론)로 저서가 한국에 몇 권이나 소개된 히토시 무라야마(미국 버클리-캘리포니아대학 교수), 중국 고에너지물리연구소의 왕이팡(王貽芳) 소장, 스위스 제네바대학의 알랭 블론델 교수, 영국 옥스퍼드대학의 다니엘라 보르톨레토 교수가 발표를 했다. 김영기 교수의 영향력 때문에 이런 국제 워크숍이 가능했던 게 아닌가 생각했다. 김 교수와 이날은 인사만 나눴다. 나는 이 워크숍 참석을 위해 미국에서 온 유재훈 텍사스(알링턴)대학 물리학자와도 인터뷰를 한 적이 있다.

입자물리학은 양파 껍질 까기

김 교수를 다시 본 건 서울 사이언스북스에서 열린 대중강연에서였다. 그는 ‘양파 같은 원자, 물리학과 여자’라는 제목으로 강연했다. 김 교수는 강연에서 “입자물리학은 세 가지를 알고자 한다. 세상은 무엇으로 만들어졌나? 이 세상에서 가장 작은 입자는 무엇일까? 우리는 어디에서 왔으며, 왜 여기에 있나?”라고 말했다.

“핵은 여러 층을 가진 양파와 같다. 물질을 이루는 기본 알갱이가 무엇인지를 알기 위해 양파 껍질 까듯이 핵을 까고 까왔다. 이를 위한 도구가 입자가속기이다. 나는 충돌에너지가 높은 가속기를 따라가며 연구를 해왔다. 고대 그리스의 아리스토텔레스는 ‘더 많이 알수록, 모르는 게 더 많다는 걸 알게 된다’라고 말했다. 입자물리학자가 만든 자연에 대한 설명인 ‘표준이론’이 있다. 이 표준이론은 완전하지 않다는 게 드러나고 있다. 우리는 완전한 이론을 찾아야 한다. 성능 좋은 입자가속기가 필요하다.”

그는 “양파 까기는 끝이 있다. 양파 까기와 같은 입자물리의 탐구는 언제 끝날까? 끝이 있기는 할까?”라며 강연을 마쳤다. 나는 강연 전 잠시 그를 따로 만나 사전 취재를 했고, 강연을 들으며 메모를 부지런히 했다.

김 교수를 세 번째 만난 건 지난 7월 16일 대전 워크숍 현장에서였다. 이때는 본격적으로 인터뷰를 하려고 했다. ‘미래 입자가속기’ 워크숍은 시작 1주일이 넘었는데도 열기를 잃지 않고 있었다. 김 교수는 이날 오전 일정이 끝난 뒤 워크숍 장소 옆에 있는 카페 ‘오가다’에서 죽으로 점심을 때우며 나의 질문에 답했다.

그에게 맨 먼저 ‘어떻게 성공했는지’를 물었다. 7월 13일 출판사 사이언스북스 강연에서도 그런 질문이 나왔고 나도 그게 궁금했다. 아시아계 여성 연구자가 미국에서 성공하기란 쉽지 않다. 그 비결이 무엇일까. 그의 답은 모호했다. “답하기 어렵다. 잘 모르겠다”라고만 했다. 자기 자랑을 하는 사람이 아니었다. 그는 “긍정적으로 생각하며 살아왔다. 나에 대해 남이 안 좋게 얘기해도 그걸 잘 기억하지 못한다. 앞만 보며 살아왔다. 그게 좋았다”고 말했다.

김 교수의 주요 경력을 보자. 1990년 미국 뉴욕주 로체스터대학 박사, 1996년 버클리-캘리포니아대학 조교수, 2002년 버클리-캘리포니아 대학 정교수, 2003년 시카고대학 교수(현재까지), 2004년 페르미연구소 CDF 실험 공동대표, 2006년 페르미연구소 부소장(2013년까지 근무), 2016년 시카고대학 물리학과 학과장.

김 교수는 특히 페르미연구소와 인연이 깊다. 박사학위를 받은 1990년부터 페르미연구소에서 실험을 하기 시작해서 23년간 일했다. 그는 이곳에서 실력을 발휘, 한 명의 뛰어난 실험물리학자에서 미국 입자물리학 커뮤니티의 지도자로 발돋움했다. 그 구체적인 순간은 2004년 페르미연구소의 CDF 실험 공동대표로 선출되었을 때였다. 이후 그는 개인 연구보다는 작게는 페르미연구소의 실험, 크게는 미국 입자물리학회의 리더 중 한 명으로 활동해왔다.

페르미연구소서 600명 이끌고 연구

CDF 실험은 페르미연구소 내 주요 2대 입자 검출 실험 그룹 중 하나다. 그가 공동대표로 일할 당시 600명의 과학자, 엔지니어로 구성돼 있었다. CDF는 연구 그룹 이름이자, 입자검출기 이름이다. CDF 입자검출기는 ‘테바트론’이라는 이름의 입자충돌기(원형으로 길이는 6.8㎞)의 한 지점에 설치돼 있었다. 테바트론에는 입자검출기 두 개가 설치되어 있는데 이 두 입자검출기가 CDF와 D0(D제로라고 읽는다)였다. 이 중 CDF가 먼저 가동되었다. CDF그룹은 2년 임기의 대표 두 명을 팀원이 투표로 선출한다. 어떻게 했길래 아시아계의 여성 물리학자가 선거에서 그들의 리더로 뽑힐 수 있었을까.

“주위에서 나를 대표로 추천했다. 검출기 실험과, 데이터 분석에서 끌어주고, 가르쳐주고 했다. 그랬더니 내 말을 잘 듣더라. 내 연구하고 남의 것까지 이끌어주니 사람들이 나를 좋아했다. 선거를 통해 대표를 그룹 멤버들이 뽑는다. CDF는 대표를 두 명 두는 공동대표 체제였다. 결과적으로 나는 100명 이상이 참가하는 입자물리학 실험에서 대표로 선출된 첫 번째 여성이 되었다.”

김영기 교수 이후에도 CDF그룹 대표에 여성이 선출된 적은 없다고 했다. 페르미연구소의 입자충돌기 테바트론은 유럽의 CERN이 새로 만든 강력한 입자충돌기에 밀려 2011년 폐쇄된 바 있고, 이에 따라 CDF그룹도 해산됐다.

김영기 교수에게 세계 입자물리 분야의 큰 이슈를 물었다. 그는 “다음 입자가속기는 무엇이 되어야 하는지를 정해야 한다. 입자가 얘기해주는 자연의 이치, 그 얘기를 우리는 들어야 한다. 그러기 위해서는 차세대 입자가속기가 필요하다”고 말했다. 힉스입자는 입자에 질량을 부여하는 입자이다. 1964년에 있을 것이라고 이론물리학자(피터 힉스 등)가 말했고, 실험물리학자가 2012년 CERN의 입자충돌기(LHC)에서 그 존재를 확인했다. 입자물리학자들은 이 힉스입자를 정밀히 조사하면 현재의 입자물리학이 설명하지 못하는 걸 더 알아낼 수 있을 것이라고 본다. 김 교수도 “힉스입자를 정밀하게 연구해야 한다”고 말했다.

입자물리학 최대 이슈는 차세대 입자충돌기

차세대 입자충돌기는 현재 입자물리학 커뮤니티의 최대 이슈이다. 김영기 교수도 그런 맥락에서 올여름 대전에서 ‘미래 입자가속기’ 워크숍을 열었다. 중국은 100㎞ 원형입자가속기(CEPC), 일본은 국제선형충돌기(ILC·길이 30~50㎞) 건설을 추진 중이다. 유럽은 100㎞ 원형입자가속기(FCC)와 선형가속기(CLIC·길이 11~50㎞) 두 가지를 논의하고 있다. 일본과 중국, 유럽의 구상을 각 기관 소속 연구자들로부터 직접 들을 수 있었다.

김영기 교수는 아시아 지역의 입자물리 실험과 관련 “아시아 밖에서 보면 잘 보이지 않는다”고 말했다. “유럽은 여러 나라가 협력해서 향후 입자물리학이 어디로 가야 하는지 계획을 짜고 있다. 유럽은 지난해 9월부터 고에너지 커뮤니티에서 앞으로 7년간 뭘 할 것인가 하는 논의를 시작했다. 나도 스페인 그라나다에서 열린 행사에 가서 발표했다. 미국은 내년부터 10년 계획 수립에 들어간다. 내가 내년에 미국 물리학회 입자물리학 분과위원장이 되면 시작해야 하는 일이다. 그런데 아시아는 뭘 하고 있는지 모르겠다.”

김 교수는 “입자물리 실험은 글로벌하다. 한 나라의 힘으로는 할 수 없다. 아시아의 플랜, 뭐 이런 게 있으면 좋겠다”라고 말했다. “아시아 국가 간의 협력은 말할 것도 없고 개별 국가 차원에서도 큰 그림을 갖고 있는 데가 별로 없다. 중국은 베이징에 있는 고에너지물리연구소 차원의 계획만 갖고 있고, 국가 전체의 그림은 없다. 인도는 아무런 계획이 없다. 한국도 여러 가지 실험을 하고 있는데, 이게 좀 더 잘 보이게 하면 좋겠다. 밖에서는 한국이 뭘 하는지 모른다. 한국 입자물리도 자기 목소리를 국제 커뮤니티에서 내야 한다. 반면 일본은 잘하고 있다.”

중국은 차세대 입자충돌기 계획을 CEPC라고 부른다. CERN의 차세대 입자충돌기 FCC 계획과 마찬가지로 중국도 100㎞ 길이의 원형가속기 건설을 진지하게 연구하고 있다. 중국은 큰 나라인데, 자체적으로 큰 입자물리 실험을 할 수 있지 않나 궁금했다. 김 교수는 “중국에 인력이 없다. 대형 입자가속기를 짓기 위한 기술은 세계 고에너지 물리 커뮤니티에 흩어져 있다. 입자충돌기를 지으려면 중국이 외국 과학자에 의존할 수밖에 없다. 예컨대 가속기에 들어가는 초전도자석 기술은 미국이 갖고 있다. 글로벌 협력을 통해서만 건설이 가능하다”라고 말했다.

김 교수는 또 “만약 혼자 지을 수 있다 해도, 다른 나라가 그 실험에 주목하지 않는다면, 그 시설이 무슨 의미가 있겠느냐”고 했다. 그는 카이스트 워크숍에 참석한 중국과 일본, 한국 물리학자와 접촉해 본 결과, 지금 단계에서는 아시아 차원의 큰 그림을 세우고 바깥 세계에 그런 목소리를 낸다는 건 힘들다는 걸 다시 확인했다고 말했다. 김 교수는 “아시아 상황은 복잡하다. 한·중·일 간의 미묘한 분위기가 있다. 일단은 협력을 위한 분위기를 만들어가는 게 중요할 듯하다”고 말했다.

그는 입자물리 실험이 얼마나 커지고 있는지를 자신이 참여했던 실험으로 비교했다. 그는 미국에서 박사과정을 밟을 때 일본 고에너지연구소의 트리스탄 가속기를 이용한 AMY(‘에이미’라고 발음) 실험에 참여했다. 이 결과로 박사 논문을 썼다. 이때 AMY그룹의 크기는, 4개국에서 온 60명이 고작이었다. 이후 그가 참여한 미국 페르미연구소 CDF 실험은 처음에는 300명이었고 나중에는 600명 그룹으로 커졌다. 그리고 김 교수가 현재 참여하고 있는 CERN의 아틀라스 실험(입자충돌기 LHC를 이용한 실험) 그룹은 3000명 크기다. 실험 그룹의 크기가 지난 20~30년간 엄청나게 커졌다. ‘빅(big) 사이언스’가 계속해서 ‘빅’해지고 있는 것이다.

과학은 국경이 없다

일본은 지금까지 가속기를 단독으로 만들어오지 않았느냐고 다시 묻자 김 교수는 이렇게 답했다. “가속기는 단독으로 짓는다 해도 실험은 일본 물리학자만으로는 해낼 수 없다. 일본의 수퍼KEKB 실험이 있다. 2018년부터 본격 가동하는 전자-양전자 입자충돌기다. 여기에 설치된 입자검출기 팀 인적 구성을 보면, 일본인은 20~30%밖에 안 된다. 일본이 중성미자 진동을 측정하기 위해 추진 중인 T2K 실험이 있다. 여기서도 일본인 연구자가 소수다.”

나는 한국과 일본 간의 갈등으로 양국 과학 커뮤니티의 협력에 차질이 있을까 우려하고 있다고 말했다. 김 교수는 “과학은 국경이 없다. 이럴 때일수록 양국 과학계는 협력과 소통을 강화해야 한다”면서 페르미연구소 예를 들었다. “냉전 시대 페르미연구소가 러시아 과학자를 초청했다. 그래서 과학자와 가족이 시카고에 와서 지냈다. 물론 그들은 러시아 정보기관인 KGB요원이 감시하고 그랬다. 정치가 힘들 때도 과학은 있었다. 과학자가 할 수 있는 일이 많다고 생각한다.”

김 교수는 현재 일본 KEK(국립고에너지가속기연구기구) 과학자문위원회 위원장을 맡고 있고, 중성미자 가속기를 운영하는 일본 J-PARC(대강도 양자가속기·Japan Proton Accelerator Research Complex) 국제자문위원회 위원으로도 일한 바 있다.

그는 페르미연구소 부소장 시절, 중성미자 검출을 위한 LBNF/DUNE 실험을 기획했다고 했다. 2006년 부소장이 되면서 당시 피에르 오도네 소장으로부터 부여받은 임무가 페르미연구소의 차기 실험 기획이었다. 페르미연구소가 자랑하던 입자충돌기 테바트론은 유럽이 건설하고 있던 입자충돌기(LHC)가 2008년 가동에 들어가면 폐쇄될 운명이었다. 김영기 부소장이 2008년에 내놓은 계획은 중성미자를 생산하는 가속기(LBNF) 한 개와 중성미자 검출기(DUNE)를 3조원을 들여 짓기로 한 것이었다. 그에게 일본이 추진 중인 차세대 중성미자 실험(하이퍼-가미오칸데)과 미국 LBNF/DUNE 실험과의 차이를 물었다. “검출기 기준이 미국과 일본, 두 나라가 많이 다르다. 일본은 기존 기술을 사용하고, 미국은 완전히 새로운 기술을 사용한다. 미국 측 사람들이 흥분해 있다. 기술이 다르다. 중성미자 에너지도 다르다. 그럼에도 두 실험은 보완적이다. 한국도 하이퍼-가미오칸데 실험에 참여, 검출기 한 대를 한국에 설치하는 걸 논의하고 있는 것으로 알고 있다.”

그는 내년에는 더 바빠질 듯했다. 미국 입자물리학 10년 단위 실험 기획을 시작하기 때문이다. 그에 따르면 물리학회 입자물리분과위원장이 되는 걸 전후해 4년을 일하게 된다. 첫해는 부위원장, 두 번째 해는 차기 위원장, 세 번째 해는 위원장, 네 번째 해는 전임 위원장(pass-chair)으로 봉사한다. 각각의 시기에 해야 할 일이 정해져 있다고 했다. 시스템이 그렇다 보니 입자물리분과위원회의 일을 4명이 같이 하는 구조라고 했다. 김영기 교수는 입자물리학 커뮤니티가 필요로 하는 실험과 시설이 뭔지 큰 그림을 그려서 미국 에너지부에 보고서를 제출해야 한다. 그러면 에너지부는 15명 안팎의 관련 위원회를 구성하고, 보고서를 검토한 뒤 입자물리학계와 상의해 우선 순위를 둔 사업 추천 보고서를 마련하게 된다고 했다. 미국의 연구비 제공 기관은 주로 에너지부라고 김영기 교수는 말했다.

김 교수는 올해만 해도 일본에 두 차례 방문한 것을 비롯해 캐나다, 스페인, 독일, 홍콩, 그리고 한국행 비행기를 탔다고 했다. 하반기에도 중국과 캐나다에 가야 한다고 했다. 입자물리학계에서 우뚝 선 한국 출신 여성 리더였다.