권영준 연세대 교수(물리학)는 일본의 입자물리실험인 ‘벨(Belle) 실험’의 대표(spokesperson)다. 벨 실험은 일본 이바라키현 쓰쿠바에 있는 KEK(고에너지가속기연구기구)에서 진행됐다. 1999년에 시작된 벨 실험은 일본 정부가 일본의 두 물리학자에게 노벨상을 주기 위해 기초과학에 투자한 것이라는 얘기까지 들었다. 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데가 1973년 ‘CP대칭성이라는 게 있으려면 쿼크가 6개가 있어야 한다’는 논문을 썼는데, 벨 실험은 바로 그 CP대칭성 붕괴가 B중간자라고 하는 입자에서 일어나는지를 확인하려 했다.

이 실험에는 한국을 포함 20여개 나라의 물리학자 450명이 참여했다. 입자충돌기 KEKB(전자-양전자 충돌)가 돌아가면서 나오는 입자들을 ‘벨’ 입자검출기 실험을 통해 확인했다. 2001년 당초 예상한 결과가 나왔고 그 덕분에 일본 물리학자 두 사람은 2008년 스톡홀름에 가서 노벨물리학상을 받았다. 정부가 기초과학에 투자해야 노벨상이 나온다는 걸 보여준 사례다.

지난 8월 16일 연세대 연구실로 찾아가 만난 권영준 교수는 “내년까지 2년 임기 대표다. 2010년 입자검출기는 멈췄으나, 그간(1999~2010) 쏟아낸 데이터를 갖고 연구가 계속 진행 중이다. 후속 실험인 ‘벨Ⅱ’도 가동에 들어갔으나 데이터가 아직 많지 않다”라고 말했다.

우주의 미스터리 풀 CP대칭성 붕괴

벨 실험이 확인한 CP대칭성 붕괴 현상은 우주의 미스터리를 풀려는 인류의 노력 중 하나다. 왜 물질이 우리의 우주에 존재하는가 하는 의문이다. 물리학자들은 물질 말고도 반물질(anti-matter)이라는 게 태초에 만들어졌다고 생각한다. 그런데 물질과 똑같은데 전하만 다른 반물질은 왜 사라지고 물질만 남았는가 하는 게 권영준 교수와 같은 물리학자가 풀려고 하는 ‘빅 퀘스천’이다.

CP대칭성은 거울반전(P·Parity)과 전하(C·Charge)켤레반전이 동시에 일어날 경우에도 자연계의 물리법칙이 변하지 않는 경우를 말한다. 거울반전대칭은 공간에 대한 대칭성이다. 공간을 거울 앞에 놓고 반전시켰을 때 그 거울 속 공간에서도 물리 법칙이 그대로 유지되면 거울대칭(P대칭)이 성립한다. 전하켤레대칭(C대칭)은 입자에는 전하가 다른 입자, 즉 반물질이 있어야 하며, 이 둘이 1대 1로 정확하게 숫자가 같아야 한다고 한다. CP대칭의 붕괴가 어떻게 물질-반물질 대칭과 관련되는지는 어려워서 모르겠으나, 적어도 C대칭이 깨진다면 물질과 반물질의 수가 같지는 않겠다는 건 알 수 있었다. 한쪽 전하를 가진 물질이 많을 것이기 때문이다.

권 교수에 따르면, 빅뱅 직후 매우 짧은 순간에는 물질 말고 반물질이라는 것도 있었고, 높은 에너지가 물질과 반물질로 동시에 변했다가 두 종류의 물질이 만나 동시에 없어지고, 또 동시에 만들어지기를 반복했다. 그런데 우주가 점차 식으면서 반물질은 더 이상 생기지 않고 물질만 남았다. 그 결과 이 우주는 물질이 압도하는 세상이 됐다. 물질과 반물질의 양이 똑같았으면, 이 세상의 구조물은 만들어지지 않았고, 에너지로 가득 차 있을 거다.

벨 실험 협력단이 1994년에 벨 실험을 해야 하는 이유로 작성해 일본 정부에 제출한 ‘의향서’는 이를 분명히 보여준다. 의향서는 다음과 같은 말로 실험이 필요하다고 말한다.

고바야시-마스카와의 놀라운 논문

“우주를 이해하는 데 풀리지 않은 주요 이슈는 물질-반물질이 대칭인 빅뱅으로부터 어떻게 물질만 갖고 있는 현재의 우주로 진화하게 되었을까이다. 자연법칙은 물질과 반물질 간에 높은 정도의 대칭을 갖고 있다. 즉 소위 CP대칭성 붕괴라는 건 K중간자의 붕괴에서 일부 효과가 작게 보일 뿐이다. CP대칭성 붕괴 효과는 우주 발전에 주요한 역할을 해온 게 분명하다. CP대칭성 붕괴를 실험으로 확인하려는 최초의 노력은 30년 전에 있었으나, 우리는 그게 어떻게 일어나는지를 모른다.

1973년 고바야시와 마스카와(KM)가 쓴 놀라운 논문은 적어도 쿼크가 6개의 ‘플레이버(flavor·맛깔)’를 갖고 있다면 (입자물리학의) 표준모델이 CP대칭성 붕괴를 수용할 수 있다고 말했다. 6개는 당시 알려진 쿼크의 ‘플레이버’ 숫자보다 두 배나 많은 수였다. B중간자에서 CP대칭성 파괴가 관측된다면 이는 KM모델이 옳다는 걸 극적으로 확인하는 게 될 것이다.”

권영준 교수는 입자물리학(실험)자, 그중에서도 ‘플레이버’ 물리학자로 물질의 기원을 연구해왔다. 쿼크 6개 중 하나인 b쿼크를 25년 이상 연구해왔다. 쿼크는 핵 안에 들어 있는 양성자나 중성자를 이루는 물질이다. 그 안에 3개씩 들어 있다. 입자물리학의 표준모형<76쪽 표준모형 그림 참조>을 보면 물질을 이루는 입자는 모두 12개다. 이들은 세대 구조를 갖고 있다. 도표에서 맨 앞줄이 1세대 입자인데 u쿼크, d쿼크, 전자, 전자중성미자 등 4개가 있다. 이들 1세대 입자 옆에는 2세대, 3세대 입자가 자리 잡고 있다.

권 교수는 “1·2·3세대를 구분하는 걸 플레이버라고 하는데 입자들의 3세대 구조를 연구하는 게 ‘플레이버 물리학’”이라며 다음과 같이 설명했다. “입자에 ‘플레이버’가 왜 있는지, ‘플레이버’가 왜 생겼는지, ‘플레이버’ 간에 어떤 대칭성이 존재하는지 혹은 존재하지 않는지라는 문제가 전혀 풀리지 않고 있다. 플레이버가 생기는 근본적인 원인을 알 수 있다면 지금까지 몰랐던 더 심오한 물리법칙을 알아낼 수 있는 게 아닌가 생각한다.” 그는 이어 “나는 박사학위를 받은 뒤부터 이 질문을 풀려고 했다. 그리고 25년 이상 같은 문제를 고민하고 있다. 플레이버 물리학의 성배, 즉 학자들이 원하는 최고의 성과는 ‘CP대칭성 깨짐’ 규명이다. 물질 기원을 알아내는 것”이라고 말했다.

그러면 왜 b쿼크인가? 쿼크에는 모두 6종이 있는데, 그중에서 왜 b쿼크를 권 교수와 같은 ‘플레이버 물리학’ 연구자는 파고들었을까? 여기에는 짧은 물리학 역사 공부가 필요하다. 물질의 기원에 b쿼크가 일부 열쇠를 갖게 된 역사다.

권 교수는 소위 ‘B공장’ 실험 세 개에 참여해왔다. ‘B공장’은 b쿼크가 포함된 입자인 B중간자를 대량으로 만들어내는 가속기 시설을 말한다. 그가 참여한 실험은 클레오(CLEO) 실험, 벨 실험, 벨Ⅱ 실험이다.

클레오 실험은 미국 뉴욕주 코넬대학에 있었던 입자가속기(CESR)에서 클레오라는 입자검출기를 갖고 했던 실험이다. 권 교수는 서울대 물리학과(1982학번) 졸업 후 미국 스탠퍼드대에 유학, 박사학위를 받고 1993~1996년 클레오 실험에 참여했다. 두 번째로 참여한 실험인 ‘벨’ 실험은 그가 박사후연구원 생활을 마치고 1996년 연세대 교수로 일하면서 참여했다. 벨Ⅱ 실험은 이제 막 시작되었다.

b쿼크 연구로 이끈 사하로프의 논문

‘플레이버 물리학자’를 b쿼크로 이끈 첫 번째 논문은 1967년 구소련의 물리학자 안드레이 사하로프(1975년 노벨평화상)가 내놨다. 사하로프는 물질-반물질 대칭이 깨지려면 ‘CP대칭성 붕괴’가 필요하다고 했다. 권 교수는 “사하로프는 인권운동가로 노벨평화상을 받았지만, 물리학자로서도 노벨상을 받고도 남는다. 이 논문은 탁월했다”라고 말했다. ‘플레이버 물리학자’를 b쿼크로 이끈 두 번째 논문은 1973년에 나왔다. 앞에서 말한 일본 물리학자 두 사람의 연구다. 이들은 “쿼크가 3세대 구조인 6종류라면 물질-반물질 대칭성이 깨질 수 있다”라고 말했다. 권 교수는 “이 논문으로 ‘플레이버’ 물리학과 (사하로프가 말한) CP대칭성 깨짐이 연결된다”라고 했다. 플레이버 물리학자가 CP대칭성 깨짐을 연구해야 하는 이유가 되었다.

고바야시-마스카와 논문에 영향을 받은 후배 학자들이 후속 연구에 몰려들었다. 이제 b쿼크와 물질-반물질 연구를 연결짓는 논문이 등장할 차례다. “1980년대 초 비기, 카터, 산다라는 세 사람이 논문을 내놨다. b쿼크를 가진 입자에서 고바야시-마스카와 논문이 말한 CP대칭성 붕괴 예측이 잘 측정될 수 있다고 했다. 그러니 그걸 시험하는 건 당연했다. 1980년대 초반부터 이를 시험하기 위한 여러 가지 방법, 혹은 그 전 단계로 b쿼크를 가진 입자를 연구하기 시작했다.”

권 교수가 몸담았던 미국 코넬대학의 클레오 실험은 독일 함부르크 소재 데지(DESY)연구소의 아거스(ARGUS) 실험과 함께 1980년대 b쿼크 실험의 양대 산맥이었다. 그는 “두 실험은 B중간자를 연구하기 위해 시작되었다. CP대칭성 깨짐을 연구하기 전에 먼저 B중간자의 물리적 특성을 조사하는 게 목적이었다”라고 했다. 그는 “박사과정 2년 차이던 1987년에 데지연구소의 아거스 실험에서 B중간자 섞임(mixing) 현상을 발견했다. B중간자 섞임 현상은 B중간자에서 CP대칭성 깨짐이 일어나기 위해 필요한 조건”이라고 말했다.

그리고 권 교수가 클레오 실험에 막 합류했을 때 b쿼크가 광자와 만나 s쿼크로 바뀌는 반응이 발견되었다. 권 교수는 “내가 속한 그룹의 두 가지 관심사였다. 하나는 (물리학사에서 유명한 에피소드가 있는) b쿼크가 s쿼크로 바뀌는 펭귄 다이어그램이 존재한다는 직접 증거 찾기, 그리고 b쿼크가 u쿼크로 붕괴할 수 있다는 것이었다.”

권 교수는 b쿼크가 s쿼크로 바뀌는 실험을 했다. “b쿼크가 광자를 만나 s쿼크로 바뀌는 실험, 즉 펭귄 다이어그램보다 더 복잡한 반응을 찾았다. b쿼크가 광자를 만나 s쿼크, 경입자, ‘경입자의 반입자’ 해서 모두 세 개가 나오는 반응을 연구했다.” 그가 보려 했던 경입자는 전자와 뮤온, 그리고 전자의 반입자(양전자), 뮤온의 반입자였다.

이 반응을 찾으면 좋은 점이 많이 있었다. b쿼크가 모두 세 개로 바뀌는 반응은 복잡하다. “이런 걸 측정하면 훨씬 많은 물리적 정보를 얻을 수 있었다. 그러나 발견하지 못했다. 한계만 구하고 말았다. 클레오 실험의 데이터가 부족한 게 원인이었다. 내가 보려고 했던 반응은 훗날 일본 벨 실험에서 확인되었다.”

플레이버 물리학자들이 ‘CP대칭성 깨짐’을 측정하기 위해 만든 다음 실험이 일본 KEK의 벨 실험과, 미국 스탠퍼드대의 바바(BABAR) 실험이다. 이 두 실험은 B중간자의 붕괴를 좀 더 천천히 볼 수 있도록 고안됐다. 즉 에너지가 같은 입자 두 개(전자와 양전자)를 정면 충돌시키는 대신, 에너지가 서로 다른 입자들을 충돌시킨다. 에너지가 같으면 충돌한 바로 그 자리에서 입자들이 붕괴한다. 에너지가 다르면 빔에너지가 작은 입자가 달려온 쪽으로 빔에너지가 큰 입자들이 충돌 후에 쏠리게 되어 있다. 그러면 B중간자가 계속 날아가면서 붕괴하고, 관측할 시간이 늘어난다. 이들 실험은 1990년대 중반에 시작되었다. 권영준 교수는 이때쯤 연세대 교수로 부임했고, 한국에서 가까운 일본의 벨 실험에 합류했다.

‘CP대칭성 깨짐’을 측정하는 벨 실험

벨 실험은 고바야시와 마스카와가 말한 B중간자의 CP대칭성 붕괴를 보는 게 목적이었다. 권 교수는 벨 실험 내 물리학 그룹 중 하나인 CKM그룹을 1997년부터 맡았다. 이 물리학 그룹이 하는 일은 CKM 행렬(matrix)의 값을 찾는 것이라고 했다. 행렬이라는 말이 나오자, 그의 설명을 잘 따라갈 수 있으려나 싶었다. 하지만 그냥 경청했다. 그는 “CKM 행렬의 값은 실수가 아니고 복소수이어야 한다”면서 “복소수의 허수 부분은 CP대칭성 깨짐과 관련이 있고, 실수 부분은 b쿼크가 어떻게 붕괴되는지 이해하는 데 중요한 정보가 된다”라고 말했다. 복소수라는 수 체계가 b쿼크 물리학을 이해하는 데 등장하는 걸 보고 놀랐다.

설명을 더 해달라고 했다. 권 교수는 “복소수의 허수 부분은 일본의 큰 연구그룹이 다 가지고 갔다. 행렬의 나머지 부분인 실수 부분을 측정하는 일을 내가 맡았다”고 말했다. 달리 말하면 CKM삼각형이라는 것의 변의 길이를 재는 일을 했다고 했다.

권영준 교수는 2006년까지 CKM그룹을 이끌었고, 자신과 함께 CKM그룹을 이끌던 일본학자 이지마 도루 교수(나고야대학)가 2006년 4월 벨 실험 대표로 선출되면서 CKM그룹 대표에서 물러났다.(이지마 교수는 2019년부터 벨Ⅱ 실험 대표를 맡고 있다.) 권 교수는 이후 2010년 벨 실험 물리 분석 공동 코디네이터가 되었고, 2018년 4월 벨 실험 선거에서 대표로 선출되었다.

권영준 교수는 “고바야시-마스카와 이론만으로는 우리 우주의 물질-반물질 비대칭을 설명하지 못한다. 10-10 분량밖에 안 된다. 엄청나게 부족하다. 우리 우주의 물질이 존재하는 이유, 반물질이 사라진 이유를 설명하는 새로운 이론이 있어야 한다”라고 말했다. 그의 설명을 겨우 쫓아갔는데, 지금까지 설명한 건 알려는 것의 극히 일부라는 얘기를 듣자 맥이 빠졌다.

권 교수는 “현재 많은 물리학자는 쿼크보다는 중성미자에 그 답이 있지 않을까 생각하고 있다”라고 말했다. 중성미자는 입자물리학의 표준모형 그림 안에 들어 있고, 물질입자 칸의 맨 아래를 차지하고 있다.<표준모형 그림 참고> 전기적으로 중성이고, 질량이 거의 없을 정도로 가벼워 오랫동안 물리학자는 질량이 없다고 잘못 생각해왔다.

입자물리학자들은 우주를 이루는 기본입자와 그 상호작용을 설명하려고 노력해왔고, 그 답으로 ‘표준모형’이라는 걸 내놓았다. 하지만 표준모형은 많은 걸 설명하지 못하고 있다. 권영준 교수는 “표준모형 너머의 물리학이 필요하다. 그게 어디 있는지 모르니까, 각자가 자신의 영역에서 그걸 찾아야 한다. 벨 실험에서 CP대칭성을 확인한 것에 만족하지 말고 ‘플레이버’ 물리학 쪽이 표준모형 너머의 물리학을 탐색해 보자 해서 만든 게 벨Ⅱ 실험이다”라고 말했다.

표준모형 너머를 탐색하는 벨Ⅱ 실험

권 교수에 따르면, 벨Ⅱ 실험은 2016년 시험 가동했고, 2018년 전자-양전자 충돌 시험을 했으며, 이후 벨Ⅱ 검출기를 집어넣고 데이터를 받기 시작했다. 벨Ⅱ 실험에는 26개국의 연구자 1000 명이 참여하고 있다. 한국 그룹도 서울대·연세대·고려대 등 9개 기관의 교수만 12명이라고 했다. 그는 암흑물질의 영향이 B중간자 붕괴에서 나타날 수 있는지를 벨Ⅱ 실험에서 확인하는 게 관심이라고 했다. 권영준 교수는 “입자물리학의 흥미로운 이슈는 암흑물질의 정체를 밝히는 것과, 물질-반물질 비대칭성을 설명하는 것”이라고 했다. 벨Ⅱ 실험은 그런 입자물리학의 두 가지 이슈가 만나는 지점이겠다는 생각이 들었다. 그는 플레이버 물리학자로서 해온 연구 성과에 대해 “B중간자의 희귀붕괴 탐색을 시도했으나 발견하지 못했다. 다만 탐색 범위를 좁히기는 했다”라고 말했다.

그는 2002년부터 입자물리학 분야의 수년치 연구를 묶어 소개하는 참고 서적 ‘입자물리학 리뷰(Review of Particle Physics)’ 저자로도 일하고 있다. ‘입자물리학 리뷰’는 1200쪽이 넘는 두께로, 권 교수는 B중간자 분야를 2명의 다른 동료들과 함께 책임지고 있다.