입자물리학은 세상을 구성하는 가장 기본적인 입자들을 다루는 분야로 물질을 구성하고 있는 입자가 무엇이고 입자들 사이의 상호작용을 알아내어 자연현상의 본질에 대한 질문을 탐구하는 학문이다. 고에너지 물리학(high energy physics)이라 불리기도 한다.

황인상 기자 his@

쿼크 입자는 소립자의 복합 모델에서의 기본 구성 입자의 한 종류이다. 대부분의 물질은 양성자와 중성자로 이루어져 있고 이들은 다시 쿼크로 이루어져 있다. 쿼크는 6가지 종류가 있으며 물리학자들은 이들을 up/down, charm/strange, top/bottom 등 3개의 쌍으로 분류하고 있다.

슈퍼컴퓨터로 표준모형의 오류 찾아낸다

▲ 이원종 단장

최근 서울대학교 격자게이지이론연구단의 행보가 화제다. 이원종 서울대 격자게이지이론연구단장은 “전자기력에 음전하와 양전하가 있듯이 물질을 이루는 최소단위라고 여겨지는 쿼크 입자는 3가지 다른 색소 전하가 있다”고 말한다. 이들이 서로 상호작용함으로써 힘이 결정된다고 알려져 있다. 이 이론은 1973년 나온 양자색소역학(QCD)인데, 이를 계산하는 데는 엄청난 빠르기의 슈퍼컴퓨터가 필요하다. 양자색소역학(Quantum Chromodynamics, QCD)은 자연에 존재하는 강력현상을 기술하는 양자이론이다. 낮은 에너지에서 일어나는 강력현상은 기존의 해석적으로 손으로 푸는 방법으로는 그 현상을 규명할 수 없다. 따라서 강입자(Hadron)의 상호작용과 그 행렬원소(weak matrix elements)를 이해하기 위하여 비섭동적인 연구 방법이 필요하다. 현재까지 알려진 가장 정확한 방법은 격자게이지이론(Lattice gauge theory)이다. 격자게이지이론은 게이지 대칭을 보존하면서 Feynman Path Integral을 전산장비를 사용하여 정밀하게 계산한다. 이러한 격자게이지 이론의 유연성은 양자색소역학에 대한 비섭동적인 연구를 가능하게 한다. 이원종 단장은 “사람의 손으로는 쿼크나 글루온 등의 입자간의 힘을 표준모형으로 계산할 수 없다”면서 “격자게이지이론이란 QCD 이론을 컴퓨터로 변환해 계산할 수 있게 해주는 연구다”고 설명했다. 현재 연구단은 1초에 100조번 사칙연산을 하는 컴퓨터 장비를 가지고 표준모형을 해석하고 있으며, 오차율은 5% 정도이고, 이미 주목할 만한 연구결과들이 나오는 중이다. 이원종 단장은 “오차율이 점점 줄어들면 표준모형이 맞는지 명확하게 증명할 수 있다”며 “표준모형의 모순을 발견한 경우는 중성미자의 질량밖에 없지만, 앞으로 다른 오류들을 찾아낸다면 표준모형을 넘어선 새로운 이론, ‘초표준모형’이 필요하다는 결정적인 단서를 제공할 수 있다”고 말했다. 실제로 연구단은 직접 계산한 결과가 반영된 값과 FNAL/MILC 연구단에서 계산된 결과를 사용하여 표준모형으로부터 직접 계산하였는데, 그 결과가 실험값과 비교하여 표준편차의 3.6배의 차이가 났고, 이 차이는 표준모형의 기본 가설 중 하나 이상이 붕괴될 가능성을 제시하기 때문에 국제적으로도 큰 주목을 받고 있다. 또한 표준모형이 붕괴된다면, 이를 대체할 초표준모형을 찾기 위한 새로운 물리분야 탄생 가능성이 높아 물리학계에 상당한 파급효과를 가져올 것으로 보인다.

국내 입자물리학 발전의 중추적 역할 담당

▲ 이원종 단장은 31세에 입자물리학 연구로 노벨물리학상을 받은 전설적인 물리학자인 ‘청다오 리’를 소개받아 그가 있는 콜롬비아대로 옮겨 본격적으로 입자물리를 공부했다. 그리고 IBM에서 박사후 연구원을 마친 뒤 미국국립과학원(Los Alamos National Lab)에서 교수를 역임했다.

서울대 격자게이지이론연구단을 이끌고 있는 이원종 단장은 서울대학교 전자공학과에 진학했다. 이후 미국 프린스턴대에서 양자역학이나 상대론적 양자역학, 양자장론 등 물질의 최소 단위와 관련된 입자물리를 수학했다. 그리고 31세에 입자물리학 연구로 노벨물리학상을 받은 전설적인 물리학자인 ‘청다오 리’를 소개받아 그가 있는 콜롬비아대로 옮겨 본격적으로 입자물리를 공부했다. 그리고 IBM에서 박사후연구원을 마친 뒤 미국국립과학원(Los Alamos National Lab)에서 교수를 역임했다. 이후 이원종 단장이 한국으로 귀국했던 2001년만 해도 대학에서 기초과학을 연구하는 교수를 지원하는 시스템이 열악하기 짝이 없었다. 더군다나 외국대학의 경우 신임교수를 위한 멘토링 시스템이 구축되어 있어 적응에 도움을 주지만 한국에서는 아무런 것도 기대할 수 없었다. 그런 상황에서도 미국 DOE의 사이덱 프로그램에 지원한 과제가 A등급을 받으면서 미국의 슈퍼컴퓨터를 사용하기 시작했고, 2008년부터 2010년까지 A등급을 유지하며 안정적인 연구비를 지원받아 연구를 수행하며 오늘에 이른 것이다. 국내 입자물리학 발전의 중추적 역할을 담당하고 있는 이원종 단장은 “대규모로 GPU를 병렬 연결해 과학 계산에 사용하는 연구가 활발히 이뤄진다면 국내 슈퍼컴퓨터 전산 능력을 한 단계 높이고 향후 GPU 응용 프로그램 개발에 필요한 원천기술을 확보하는 계기도 될 수 있다”면서 “높은 성능의 전산능력을 필요로 하는 과학, 공학 뿐 아니라 사회 각 분야에 이 기술이 보급된다면, 사회 전반에 지대한 파급효과를 가져올 수 있을 것”이라고 전망했다. NM