한국 물리학계는 올해 노벨 물리학상 후보 명단에조차 이름을 올리지 못했다. 왜 그럴까? 우리나라 고(高)에너지 물리학계의 사정이 아무리 열악하다고 하지만 유럽이나 일본, 미국에 비해 그렇게나 뒤떨어져 있을까?
양운기 서울대 물리학과 교수(실험-입자물리학)를 최근 만나서 한국의 현실과 미래 비전을 물었다. 양 교수는 한국 CMS그룹을 2016년부터 이끌어왔다. 여기에는 10개 대학의 교수 17명이 참여하고 있다. 박사후연구원은 20명, 대학원생은 75명이다.
CMS는 스위스 제네바의 유럽입자물리연구소(CERN)에서 LHC 입자가속기를 이용해 진행하는 실험그룹 이름이다. CMS 실험그룹은 수천 명으로 구성돼 있는데, 한국 CMS그룹은 우리나라를 대표해 참여하고 있다. CMS 검출기를 업그레이드하거나, 여기에서 나오는 데이터를 분석, 연구한다. 한국에 고에너지 물리를 위한 실험시설이 없으니, 유럽이나 일본·미국에서 주도하는 실험에 참여하는 것이다.
양운기 한국 CMS그룹 대표는 코로나바이러스 대유행 속에서도 CERN에 박사후연구원 4명, 대학원생 2명을 보냈다. 양 교수도 연구년을 맞아 지난 2월에 6개월 예정으로 제네바 행 비행기를 탔지만 코로나19 상황이 악화되면서 조기 귀국해야 했다.
1. 한국 학자, 노벨상 후보로도 못 오른 이유
양운기 교수는 한국인의 노벨상 수상 가능성에 대해 “물리 분야에서 노벨상을 받을 만한 사람이 전혀 없었던 건 아니다. (서울대에 얼마 전까지 있었던) 김수봉(사진) 교수 이름도 회자되어 왔다”라고 말했다. (※김 교수는 현재 성균관대 기초과학연구소 수석연구원이다)
김 교수는 2012년 12월 전자중성미자가 진동한다는 걸 세계 최초로 밝힌 바 있다. 중성미자는 현재 최소 3종류가 있는 걸로 알고 있으며, 전자중성미자는 그 중의 하나다.
다만 중국 그룹이 예상보다 빠르게 결과를 발표하는 바람에 아쉬움을 남겼다.
양운기 교수는 “김수봉 교수는 그 연구 결과를 인정받아 노벨상에 버금가는 상(부르노 폰테콜포 상, 2017년 수상)을 받은 바 있다”라고 말했다. 김 교수는 중성미자의 물리적 특성을 알아내기 위한 목적으로 지난 2006년부터 영광 원자력발전소 인근의 지하에서 ‘르노 실험’(Reactor Experiment for Neutrino Oscillations)을 해왔다.
그러면 한국 고에너지물리 학계에서 노벨상 수상자가 언제든지 나올 만큼 여건이 갖춰져 있는 것일까? 양 교수는 “그렇지는 않다”고 말한다. 김수봉 교수의 연구는 100억 원대의 과학실험사업 중에서 돌출적으로 성공적인 결과가 나온 사례일 뿐이라는 거다.
2. 일본 수준 되려면 연구자 1000명쯤 있어야
한국의 고에너지물리학 연구자 숫자를 이웃나라인 일본과 비교해봤다. 양 교수는 “한국이 300명이라면, 일본은 2000명쯤 될 것”이라고 말했다. 일본 인구(약 1억2650만 명)가 한국보다 두 배 정도 많으니, 일본 수준이 되려면 최소한 1000명쯤 되어야 한다. 그런데 300명밖에 안 된다는 거다.
더욱이 한국에는 고에너지물리 실험 연구를 위한 입자가속기가 한 대도 없다. 반면 일본에는 거대한 입자가속기가 2개, 지하에 대형검출기가 2개 있다. 입자가속기만 보면, 일본 KEK(고에너지물리연구소, 일본 쓰쿠바 소재)는 전자-양전자 가속기를, J-PARC(일본양성자가속기시설, 도카이무라 소재)은 양성자 가속기를 가동하고 있다. J-PARC은 중성미자 빔(입자 다발)도 생산하고 있다. 그의 말을 듣고서 한일 간의 수준은 단순 비교조차 힘들다는 느낌을 받았다.
양 교수는 “한국의 기초과학이란 밭들을 앞으로 꾸준히 일궈야 한다”라면서 그런 작업 중 하나로 IBS(기초과학연구원)가 운영하는 물리학 실험연구단 몇 개의 이름을 언급했다. 김영덕 단장의 지하실험연구단, 야니스 세메르치디스 교수의 ‘액시온 및 극한상호작용’ 연구단이 목표를 달성하면 노벨상을 받을 가능성이 있다고 했다. 지하실험연구단은 중성미자와 암흑물질의 정체를 알아내는 연구, ‘액시온 및 극한상호작용’ 연구단은 암흑물질의 후보 중 하나인 액시온 입자를 찾고 있다.
3. 고에너지 물리학의 최전선 4개 분야
양운기 교수에게 고에너지 물리학의 큰 그림을 보여 달라고 주문했다. 그는 ▲고(高)에너지 프론티어 ▲중성미자 프론티어 ▲암흑 프론티어 ▲고(高)집속(High Intensity) 프론티어를 꼽았다.
고에너지 프론티어는 에너지가 아주 큰 입자가속기에서 입자충돌실험을 통해 새로운 입자나 힘을 발견하는 게 목표다. CERN의 실험 물리학자들은 입자가속기(LHC, 길이 27㎞)를 갖고 이론가들이 예측해온 힉스 입자를 지난 2012년 발견한 바 있다. 요즘에는 LHC가 내놓은 데이터 속에 새로운 입자가 존재한다는 정보가 숨어있는지를 확인하는 한편, 지금보다 더 높은 에너지 수준에서 존재할 수 있는 입자를 찾아내기 위해 차세대 입자 가속기(길이 100㎞) 건설을 추진하고 있다. 중국도 비슷한 규모의 입자가속기를 텐진(天津) 외곽에 만들 계획이다.
두 번째 전선은 중성미자 연구다. 중성미자는 전기적으로 ‘중성’이고, 아주 가벼운(‘미자’) 특징을 갖고 있다. 전기적으로 중성이면 그 존재를 확인하기 힘들다. 전자기장에 반응을 보이지 않기 때문이다. 또 입자 질량이 대단히 가벼워 존재 여부조차 알기 힘들다. 이 때문에 물리학자들은 중성미자의 존재 자체를 늦게 알았고, 질량도 없을 것으로 잘못 알았다.
양운기 교수의 설명이다. “우주에 왜 반(反)물질은 거의 없고 물질만 존재하는가를 밝혀줄 열쇠를 중성미자가 쥐고 있을 것으로 물리학자들은 믿고 있다. 중성미자 연구는 우주의 진화를 이해하는 데 중요하다.”
중성미자 연구는 세 가지로 이뤄진다. ▲우주에서 날아오는 중성미자를 관측하는 방법 ▲원자력발전소에서 나오는 중성미자로 하는 방법 ▲입자가속기에서 만들어지는 중성미자로 하는 방법 등이다. 우주에서 날아온 입자를 지하 실험에서 관측해 노벨 물리학상을 받은 그룹 중 한국에 잘 알려진 게 일본 도쿄대학 우주선연구소다. 이 연구소는 일본 기후현 히다시의 가미오카 광산 1000m 지하에서 ‘가미오칸데 실험’을 하고 있다.
도쿄대 고시바 마사토시 교수는 1987년 초신성 폭발에서 쏟아져 나온 중성미자를 성공적으로 관측했고 그 공로로 2002년에 노벨상을 받았다. 그리고 그의 제자인 가지타 타카아키 도쿄대학 교수는 중성미자가 질량을 갖고 있다는 걸 관측으로 알아내 1998년 논문으로 발표해 2015년 노벨상을 받았다.
앞에서 양운기 교수가 얘기했던 김수봉 교수의 중성미자 실험은 원자력발전소에서 핵 분열 때 많이 나오는 중성미자를 갖고 한 것이다. 김 교수가 ‘르노’ 실험을 영광의 한빛원전 인근에서 한 이유다.
가속기를 갖고 하는 중성미자 실험은 미국 시카고 외곽 페르미 연구소의 DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) 실험이 유명하다. 페르미연구소에서 가속기로 만든 중성미자를 쏘고, 1300㎞ 떨어진 사우스다코타 주에 있는 샌퍼드 지하실험장에서 중성미자를 받는 식으로 진행될 예정이다. 2027년에 전면 가동을 목표로 하고 있다. 한국에선 중앙대 김시연 물리학과 교수가 이 실험에 참여하고 있다.
4. '중성미자 관측소' 프로젝트에 기대한다
한국의 물리학·천문학 커뮤니티는 대규모 실험 연구를 준비하고 있다. 과학계의 주목을 받는 이 실험 이름은 KNO (Korea Neutrino Observatory, 한국중성미자관측소).
양운기 교수에 따르면 KNO는 성균관대 유인태 교수(입자물리). 울산과학기술원(UNIST) 류동수 교수(천문학)가 주도하고 있다. 유인태 교수가 기획 보고서를 지난 11월 정부에 제출했다고 한다.
양 교수는 “KNO 프로젝트가 잘 된다면 이 분야에서도 노벨상을 받는 한국인이 나올 수 있다”라고 말했다. 이 프로젝트는 대구 인근 비슬산 등의 지하에 중성미자관측소를 설치해 일본 J-PARC이 쏘는 중성미자를 관측 연구할 계획이다. 일본 고에너지물리학의 중심지 중 한 곳인 J-PARC에서 중성미자를 만들어 약 300㎞ 떨어진 가미오칸데 실험장으로 보내고 있는데, 이 중성미자 다발의 거의 대부분 일본 땅을 지나 동해 쪽으로 직진하다 대구 쪽을 지난다. KNO는 이 중성미자 다발을 갖고 연구를 할 수 있다.
양 교수는 KNO 프로젝트에 관해 이렇게 설명했다. “3500억 원이 필요한 사업인데 일본 쪽에서 날아온 중성미자를 받기 위해 대규모 물탱크를 지하에 설치해야 한다. 그리고 중성미자가 대형 수조 안의 물 분자와 상호작용할 때 나오는 빛을 감지하는 광센서가 필요하다. 광센서는 일본 기업이 독점하고 있다. 우리가 쓸 돈의 대부분이 광센서를 구입하는 데 들어간다. 그래서 경북대 김홍주 교수가 광센서를 개발하고 있다.”
고에너지 물리학의 세 번째 전선은 암흑 프론티어다. 양운기 교수는 “이 분야는 거대사업은 아니고 지하실험을 통해 암흑물질을 찾는 정밀한 실험이다. 아주 낮은 에너지의 입자를 검출하기가 매우 힘들어 지하 깊은 곳에서 초저온 검출기를 이용한다. 현재 입자물리학자는 입자물리학의 표준모형에 들어있는 입자들 말고, 다른 입자들이 있을 거라고 생각하고 있다. 특히 ‘암흑물질’이라는 물질을 ‘암흑 프론티어’에서 확인하려는 게 주요 목표다. 암흑물질은 우리가 알고 있는 일반물질보다 우주에 5배 이상 많을 걸로 추정되고 있다.”
네 번째 전선은 ‘고집속 프론티어“다. 이 분야는 고집속의 뮤온 입자 다발이나, 고집속의 전자-양전자 충돌을 이용하여 ’표준모형을 넘어서는 물리학’의 증거를 찾고 있다. 일본 KEK의 입자가속기를 이용한 ‘벨(Belle)2 실험’이 그런 사례 중 하나다.
5. 고에너지 물리연구센터라도 만들어 달라
그러면 한국 사회가 지원해야 할 일은 무엇일까?
양 교수는 “무엇보다 고에너지 연구소가 필요하다”며 “그게 어렵다면 고에너지물리 연구센터라도 만들어주면 좋겠다”고 말했다.
고에너지 물리 연구센터를 만들면 좋아지는 게 적어도 세 가지쯤 된다.
우선, 입자검출기 개발을 위한 인프라를 한 군데에 구축할 수 있어 그로부터 얻는 장점이 있다. 둘째는 검출기를 같이 개발할 엔지니어를 장기 고용하는 게 가능해져 한국 고에너지 물리학의 엔지니어링 능력을 향상시킬 수 있다. 셋째, 학자들이 함께 모여 한국 고에너지 물리학의 도약을 꾀할 수 있는 큰 프로젝트를 할 수 있다.
양 교수의 말을 들어본다. “일류가 아닌 이류(二流)의 고에너지 국립연구소를 만드는 것보다 실질적으로 일할 수 있는 고에너지 물리연구센터가 더 나을 수도 있다. 연구센터는 대학들끼리 같이 검출기를 만들고, 연구하는 공간이 될 것이다. 검출기 개발을 위한 기본적인 인프라 시설을 구축하는데 보통 수억 원이 들어간다. 현재는 A대학, B대학 교수님들이 비슷한 시설을 각각 만들 수밖에 없는 상황이다. 대학별로 연구인력 양성을 위한 목적이 있다고 하지만, 중복 투자가 아닐 수 없다. 그러니 고에너지 실험 물리학자들이 한데 모여서 일할 공간이 마련되면 좋을 것이다.”
양 교수는 정부(연구소)와 대학 간의 협업 모델로 영국의 러더퍼드 애플턴 연구소나 네덜란드의 고에너지물리연구소를 꼽았다. 러더퍼드 애플턴 연구소는 각 대학의 방학 기간 중 고에너지 물리학을 공부하는 대학생들을 불러 한 달간 교육시킨다. 네덜란드 고에너지물리연구소는 평소 수업을 아예 암스테르담 연구소에서 한다. 학생이 100명, 교수도 30명 정도 된다. 한 개 대학에는 고에너지 물리를 하는 교수 숫자가 제한되어 있으니, 그들이 모여 가르친다면 학생들에게 여러 연구프로그램을 제공할 수 있다.
양 교수는 고에너지물리 연구센터가 들어설 자리로 대전에 IBS(중이온가속기사업단)가 짓고 있는 중이온가속기 연구소 내부를 꼽았다. 여기에 공간을 확보할 수 있다면, 한국의 물리학자들이 만드는 여러 가지 검출기 개발 작업을 같이 할 수 있다는 것.
양 교수가 말하는 검출기는 대략 세 종류다. ▲한국-CERN(유럽입자물리연구소) 사업단이 만드는 입자검출기 ▲IBS가 만드는 중이온가속기에 장착될 입자검출기 ▲ KNO(중성미자관측소) 검출기다.
양 교수는 아울러 중이온가속기를 짓고 있는 IBS의 정책 변화가 필요하다고 강조했다. “IBS는 현재 너무 고립되어 있다. 연구를 위해 가속기를 짓는 것이지, 가속기를 짓는 게 목표가 아니다. 가속기를 어떻게 연구에 활용할 것인지를 고민해야 한다”고 말했다. 그의 설명에 따르면 중이온가속기가 완성되면 데이터가 쏟아져 나온다. 그런데, 그 데이터를 처리할 컴퓨팅센터 구축, 그리고 가속기 이용자 그룹 지원에 나선 게 고작 2년밖에 안됐다.
6. 좋은 입자검출기를 만들면 된다
입자나 핵 분야와 같은 고에너지 물리학에서 큰 업적을 내기 위해서는 무엇보다 입자가속기가 중요하다. 하지만 최소 2조 원, 최대 10조 원의 엄청난 돈이 필요하다. 후발주자인 한국이 그걸 따라 하기란 쉽지 않다.
양 교수는 “입자가속기 대신 좋은 입자검출기를 만드는 것도 하나의 방법이다. 좋은 검출기를 만들면 남들이 못하는 연구를 할 수 있다”라고 말했다. 그런 방식도 있겠다 싶다. 양 교수는 “검출기 개발 쪽으로 역량을 집중하면 노벨상을 받을 만한 결과를 낼 수 있다”라고까지 말한다.
좋은 검출기란 무엇일까? 양 교수에 따르면, 우선 입자가 날아가는 시간을 현재 볼 수 있는 간격보다 더 짧은 간격으로 볼 수 있으면 좋다. 그리고 낮은 에너지대를 들여다 볼 수 있으며, 입자가속기에서 충돌한 입자들이 어디로 날아가는지 그 경로를 더 정확히 알 수 있으면 좋은 검출기라고 할 수 있다. 현재 CMS 입자검출기는 10⁻¹⁰초 간격으로 입자 사진을 찍는다. 이는 지상 최고의 카메라 셔터 속도다. 이보다 10배 이상 능력이 좋은 입자검출기를 만들려는 게 한국 CMS의 목표다. 10⁻¹¹초 간격으로 사진을 찍겠다는 것이다.
양 교수의 설명이다. “10⁻¹¹초 간격으로 찍을 수 있다면 새로운 영역을 들여다 볼 수 있다. 우리가 보려고 하는 건 초대칭성 입자 중에서 무거운 입자들이다. 초대칭성 입자는 이론물리학자들이 있을 수 있다고 주장한 것인데, 실험물리학자인 우리가 그걸 실험을 통해 확인하고자 한다. 입자는 종류에 따라 각각 질량이 다르다. 무거우면 입자가 빨리 못 달린다. 그러니 더 짧은 시간 간격에서 사진을 찍을 수 있다면 찍은 입자의 종류를 알 수 있다.”
양 교수는 아주 짧은 순간을 포착하는 입자검출기 외에도 암흑물질처럼 아주 약한 에너지만 놓고 간 경우에는 저에너지를 측정하는 기술이 필요하며, 새로운 입자검출기로는 초저온실험을 할 수 있을 것이라고 했다. 그리고 입자 충돌 직후 쏟아져 나오는 입자들이 날아가는 경로를 더 정확히 알아내는 능력도 주목받는 분야라고 했다.
7. 컨트롤 타워, 연구비 배분방식을 바꿔야
양 교수는 인터뷰를 마무리하면서 “고에너지물리의 발전을 위해서는 컨트롤타워가 필요하다”고 거듭 강조했다.
영국의 STFC(Science and Technology Facilities Council, 과학 및 기술시설 위원회)가 참고할 만한 모델이라고 설명했다. 영국은 과학담당 부처 밑에 별도 기관으로 STFC를 두며, 정부 당국은 이곳에 과학 분야의 연구개발 자금을 몰아준다. 그러면 STFC가 연구비를 분배한다. 반면 한국에선 과학기술부가 사실상 직접 연구 프로젝트를 심사하고 그 결과에 따라 연구개발비를 지급하고 있는 구조다.
양 교수는 “한국이 기초과학에 쓰는 예산 규모는 크다고 본다. 그러나 효율적으로 사용되지 못하고 있다는 우려도 있다. 고에너지 물리학 발전을 위해서 연구비 배분방식에 변화가 있어야 한다”고 말했다.
최준석 과학 작가/주간조선 선임기자
양운기 교수
서울대 물리학과 교수. 한국CMS그룹 대표를 겸하고 있다. 고려대 물리학과에서 공부한 뒤 미국 로체스터대학에서 박사 학위를 받았다. 이후 미국 페르미국립가속기연구소에서 일했으며 2006~2013년 영국 맨체스터대학에서 학생들을 가르쳤다.