‘초표준모형’을 찾기 위한 새로운 물리 분야 탄생의 
가능성을 예측하다! 

서울대 격자게이지이론 연구단  이원종 단장

입자물리학(粒子物理學)은 보통 물질과 방사선 등 자연의 기본 입자를 연구하는 물리학의 분야 중 하나이다. 현재의 이해로는 입자는 양자장을 가지고 있으며 특정의 대칭성을 가지고 상호작용한다는 것이다. 비록 입자라는 단어가 많은 물체를 뜻하지만(양성자, 기체 입자, 심지어는 가정의 먼지 등), 입자물리학이라는 용어는 보통 우주의 기본 입자 물체를 연구하는 것을 의미한다. 이는 입자 관찰을 설명하고 정의하기 위해 필요하며, 다른 중요 분야와의 조합으로는 설명할 수 없는 분야이다. 기본 장과 그 대칭성의 현재 설정은 표준 모형이라는 이론으로 요약되어 있으며, 입자물리학은 크게 표준 모형을 구성하고 있는 입자 연구와 가능한 확장 연구로 나뉜다. 이 표준모형은 물리학의 기초 이론으로 이것을 이용하면 '케이온(Kaon)'이라는 입자의 섞임 현상을 이론적으로 계산할 수 있다. 

기존 이론을 넘어선 새로운 이론으로 과학 혁명을 주도
서울대학교 격자게이지이론 연구단(단장 이원종)은 격자 게이지이론 관련된 물리량을 슈퍼컴퓨터와 같은 대규모 전산장비로 계산해 케이온 물리학에 대한 연구를 하고 있다. 그 동안 표준모형에서는 양자색소역학의 현상을 정확하게 기술하기 어려워 진위 판별이 힘들었다. 그러나 격자 게이지이론 분야가 컴퓨터의 발달과 함께 개척되면서 양자색소역학으로부터 발생하는 물리적 효과를 계산할 수 있게 됐다. 
과학혁명을 주도하며 새로운 이론을 찾아 도전하고 있는 격자게이지이론연구단 단장 이원종 교수. 이 단장은 서울대학교 전자공학과에 진학했고, 그 이후 미국 프린스턴대에서 양자역학이나 상대론적 양자역학, 양자장론 등 물질의 최소 단위와 관련된 입자물리를 수학했다. 그리고 31세에 입자물리학 연구로 노벨물리학상을 받은 전설적인 물리학자인 '청다오 리(Tsung-Dao Lee)'를 소개받아 그가 있는 콜롬비아대로 옮겨 본격적으로 입자물리를 공부했다. 그리고 IBM에서 박사후연구원을 마친 뒤 미국국립과학원(Los Alamos National Lab)에서 교수를 역임했다. 이후 이 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(SciDAC) 프로그램에 지원한 과제가 A등급을 받으면서 미국의 슈퍼컴퓨터를 사용하기 시작했고, 2008년부터 2010년까지 A 등급을 유지하며 연구비를 지원받아 연구를 수행했다. 격자게이지 연구단의 연구 실적이 널리 인정받게 되고 논문의 신뢰도가 높아 국제적으로도 공인되어 국내외 단체들의 관심이 집중되고 있다. 격자게이지연구단은 총 20명 미만으로 구성되어 있는데 연구조교수인 존 벨리 박사와 쿤디 박사를 중심으로 석, 박사과정의 연구원들 10여명으로 구성되어 있다. 성실하고 정직한 최고 두뇌로 구성된 연구단은 꾸준한 연구로 좋은 결과물들을 도출하고 있다. 

표준편차 3.6배의 쾌거를 올린 연구단 
현재 연구단은 1초에 250조번 사칙연산을 하는 컴퓨터 장비를 가지고 표준모형을 해석하고 있으며 오차율은 5%정도이고 이미 주목할 만한 연구결과들이 나오는 중이다. 이 단장은 "오차율이 점점 줄어들면 표준모형이 맞는지 명확하게 증명할 수 있다"며 "포준모형의 모순을 발견한 경우는 중성미자의 질량 밖에 없지만 앞으로 다른 오류들을 찾아낸다면 표준모형을 넘어선 새로운 이론, '초표준모형'이 필요하다는 결정적인 단서를 제공할 수 있다"고 말했다. 연구단의 이번 연구를 통하여 CP 위반의 물리량 을 표준모형으로 계산하면 이론적 결과를 얻었다. 또 이론과 실험을 비교하여 얻어진 결과들은 초표준모형의 존재에 대한 결정적인 단서를 제공할 것으로 예상된다. 특히 연구단은 직접 계산한 결과가 반영된 값과 FNAL/MILC 연구단에서 계산된 결과를 사용하여 표준모형으로부터 직접 계산하였는데, 그 결과가 실험값과 비교하여 3.6의 차이가 났고, 이 차이는 표준모형의 기본 가설 중 하나 이상이 붕괴될 가능성을 제시하기 때문에 국제적으로도 큰 주목을 받고 있다. 또 표준모형이 붕괴된다면, 이를 대체할 ‘초표준모형’을 찾기 위한 새로운 물리분야 탄생 가능성이 높아 물리학계에 상당한 파급효과를 가져올 것으로 보인다. 이 단장은 "대규모로 GPU를 병렬 연결해 과학 계산에 사용하는 연구가 활발히 이뤄진다면 국내 슈퍼컴퓨터 전산 능력을 한 단계 높이고 향후 GPU응용 프로그램 개발에 필요한 원천기술을 확보하는 계기가 될 수 있다"고 설명했다.

지속적인 연구를 위한 안정적인 연구비 지원이 시급 
이런 성과를 낼 수 있었던 것은 이 단장이 1998년부터 2015년 현재까지 17여 년간의 노력 끝에 표준편차 3.6배, 즉 실험값 차이가 3.6배라는 결과를 얻어 논문 발표 완성단계에 이른 것이다. 이 값은 PC 250,000대 정도의 슈퍼컴퓨터가 직접 계산에서 나온 결과로 신뢰도가 높다. 이 단장은 "한국연구재단에서 2009년 창의연구과제로 선정되어 9년간 국고지원으로 연구에 몰두했다. 이 연구는 미국에 있을 때부터 연구의 목표로 해 왔었다"고 밝혔다. 
"자연과학이 발전하려면 장기적인 안목으로 봐야지 일시적인 것은 한계가 있다"고 말하며 "일본의 경우, 경제침체기 때도 연구비는 줄이지 않고 오히려 연구비를 늘려 더욱 공격적인 연구에 들어간다. 사실 연구비 지원이 장기적일 때 큰 토픽(Topic)을 잡을 수 있지 단기적인 지원으로는 연구도 단발성에 그치고 만다. 이런 점에서 볼 때 우리나라는 아직 갈길이 멀다”로 말하며 아쉬움을 남겼다. 
이 단장은 격자게이지이론 연구단을 한 마디로 ‘새로운 변화’라고 표현했다. 국제적인 인물, 리더십을 갖춘 인재 발굴에 초점을 맞춰 연구단을 이끌고 있는 이 단장은 연구 주제(Topic)을 잡는 것을 중요시한다. "물리학 연구는 한 주제로 최소한 5년 이상 ~20년이 걸린다. 가치 있는 가시적인 결과를 도출하는 데에는 주제 설정이 가장 중요한 요인이기에 연구 주제 잡을 때 심혈을 기울이고 있다"고 말했다.

자신이 가르치는 학생들이 글로벌 경쟁력을 갖추어 학계에 한 획을 긋는 유능한 인재가 되길 바라는 이 단장은 '꿈을 꾸는 학생 배출'이라는 교육 철학 아래 학생들이 마음껏 자신의 꿈을 꾸고 이루어나갈 수 있는 환경과 사고력을 키우게끔 이끌고 있다. 우리가 진리라고 믿는 이론이 영원히 완전한 것이 아니라며 기존의 이론에 오류가 있음을 증명하고 새로운 이론을 찾아 연구하는 것이 연구의 목표라고 밝히는 이 단장. 또한 그는 재능 있고 훌륭한 인재들을 지속적으로 배출해나가기 위해서는 교육의 변화와 혁신이 필요함을 피력했다. "장기적인 연구비 지원이 절실하다. "변화와 혁신을 이끄는 사람은 바로 '섬기는 사람'"이라고 정의하는 그는 현재 3.6시스마(표준편차의 3.6배)까지 올려 쾌거를 이루었는데 앞으로 5시그마, 6시그마, 10시그마까지 끌어올리겠다는 포부로 지칠 줄 모르는 열정과 신념을 가지고 연구단을 이끌고 있다.