언감생심노벨상…한국물리학의한숨
입자물리학벨실험,日KEK를알리다
일본에 KEK와 J-PARC라는, 가속기를 갖춘 국립연구소가 있다. 두 기관의존재를 알게된건한국물리학자들을 취재하면서다. 그들이 물리학자가어떻게 되었는지, 그 이후의연구 궤적은 어땠는지를따라가다 보면, KEK와 J-PARC가 등장하는경우가 많았다. 성균관대박일흥 교수, 서울대김선기,양운기 교수, 미국 시카고대학의김영기교수가 그곳에서석사나 박사 학위를할때일본에서일했던사람중 일부다. 그들말고도한국의입자물리학자와 핵물리학자들은 두 일본 국립물리학연구소의문지방이닳을정도로 다녔고,다니고 있다. KEK는‘일본고(高)에너지물리기구’이고, J-PARC는 ‘일본양성자가속기연구단지’다.
나는가보지못했으니, 이들 기관이어떻게생겼는지를 상상할수 없었다. 그래서온라인으로사진을 찾아봤다. ‘구글 지도‘ 사이트의‘스트리트 뷰’ 서비스를 통해서는, KEK의거리풍경을동네산책하듯이구경하기도 했다. KEK가 J-PARC보다 도쿄에서지리적으로 가깝다. KEK는 도쿄만 건너편의쓰쿠바에있다. J-PARC는 도쿄에서해안선을따라조금올라간도카이무라라는곳에자리잡고있다.
일본KEK가국제적으로유명한건 벨(Belle) 실험(1999~2010)이다. 벨실험은 2008년일본의입자물리학이론가두사람에게노벨물리학상을안겼다.수상자는고바야시마코토(KEK 교수), 마스카와도시히데(교토대학)교수다.고바야시와마스카와두사람은 1973년입자물리학분야의논문을한편썼다.설명하려면내용이길어지는데그냥짧게표현하면이렇다. “(기본 입자의하나인)쿼크가적어도6개라면물질-반물질대칭이왜깨지는지설명할수있다.”
‘쿼크’와 ‘물질-반물질’이란 단어가 좀 낯설지모르겠다. 쿼크는 원자핵안에있는양성자나 중성자를 이루는 물질이라고 하면, 거의다 설명한 게된다.쿼크는양성자나중성자안에세개씩들어있다.
‘물질과 반물질’도 알고 보면 간단하다. 물질과반물질은 서로 전하만 다르고 나머지물리적특징은똑같다.예컨대전자라는물질이있다.이전자와물리적특징은 똑같고 전하의부호만 다른입자가곽영길이용웅임재천이상국있다. 이입자가 전자의 반물질이다. 이입자는 ‘양전자’라고 부른다. 전자와양전자를갖고한실험이바로 벨 실험이다. 벨 실험이나, 벨의후속실험으로현재진행되고 있는 벨2실험에 쓰는 입자가속기가바로,전자와양전자충돌기방식이다.
‘우주에 왜이렇게물질이존재하는가’하는 물질의기원은 빅퀘스천중의하나다. 고바야시와 마스카와의1973년논문은이질문을풀려고하는과학자에게는 매우 중요했다. 이질문을 달리표현하면우주에서반물질은 사라졌는데, 왜물질은남아있는가 하는 것이다. KEK가 일본인이론물리학자 두사람의이론 검증을 위해 큰돈을 들여 시작한 게‘벨 실험’이다.
벨실험에참여한한국물리학자는 많다. 그중에서나는 권영준 연세대교수를 만나 취재한 바 있다. 그는 1996년 연세대 교수가 된 뒤부터일본의KEK실험에 참여했고, 올해 초까지 지난 2년간은벨실험 대표(Spokesperson)로 일하기도했다.
일본 고에너지물리학 연구의 다른 중심지는
김영모권우진그 용도 중 하나는 약 300㎞ 떨어진 지하 1000ｍ에있는 실험장으로 쏘아 중성미자의성질을 알아보는 실험을 하는 것이다. 이실험은 T2K(Tokai to Kamiokande)라고 한다. 도카이무라(T)의J-PARC에서보낸중성미자다발을받아보는곳은슈퍼-가미오칸데(K)실험장이다.중성미자는땅속을그냥거침없이지나가므로터널과같은걸만들필요도 없다.일본서부기후현에있는슈퍼-가미오칸데실험은날아오는중성미자를검출할수있는시설을갖추고만있으면 된다. 도쿄대학 우주선연구소가 운영하는이실험시설은물 5만t(톤)이담긴거대한수조와,중성미자가물원자와반응할때나오는신호를검출하기위한광(光)증배관1만3000개를갖추고있다.슈퍼-가미오칸데실험은일본에노벨물리학상을안겨준또다른 실험이다. 실험을이끈도쿄대우주선연구소의가지타 다카아키교수가 2015년 노벨정)을 하는게르노 실험의목표였으며, 김교수그룹은 2013년 큰성과를 올렸다.그런데르노실험이종료되고있고,한국에서후속실험은만드는데어려움을 겪었다. 이런상황에서일본 J-PARC의 연구그룹이손짓을 해오자 김수종 교수는일본에서돌파구를찾은것으로보였다.