암흑물질 유력 후보인 ‘액시온’ 검출 가능성 높이다
인류에 밝혀지지 않은 자연의 진실 탐구하는 이론물리학자
암흑물질의 유력한 후보인 ‘액시온’(Axion) 검출 가능성이 높아졌다. 지난 3월 10일, 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에는 액시온과 가상입자인 암흑광자를 연결하는 포털의 가능성을 이론적으로 입증한 연구 결과가 게재됐다. 이 연구는 독립적으로 연구되던 액시온 연구와 암흑광자 연구를 이어주는 연결고리를 제시하며 학계의 주목을 받았다. 이번 연구를 진행한 IBS 순수물리이론연구단의 이혜성 연구위원을 만나보았다.
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암흑광자로 액시온 발견할 수 있는 새로운 방법 제시
현재 인류가 발견한 물질은 전체 우주에서 4.5%에 불과한 것으로 알려져 있다. 나머지 물질은 밝혀지지 않은 암흑물질과 암흑에너지로 구성돼있다. 학계에서는 암흑물질의 후보 물질로 액시온과 중성미자, 윔프 등을 선정, 이를 확인하기 위한 실험을 지속하는 중이다. 이중 액시온은 과학자 사이에서 오랜 기간 연구돼온 암흑물질이다. IBS(기초과학연구원/원장 김두철) 순수물리이론연구단 이혜성 연구위원은 최근 액시온과 암흑광자를 연결하는 포털의 존재 가능성을 이론적으로 입증하며, 액시온 검출 가능성을 높였다. 이 연구위원은 이번 연구가 두 개의 서로 다른 연구 분야를 잇는 이론적인 토대를 마련했다고 설명한다. 액시온-광자-암흑광자 상호작용이 의미 있을 정도로 커 암흑광자를 통해 액시온을 검출할 수 있음을 밝혔다는 게 그의 설명이다. 학계에서는 이번 연구로 인해 액시온 실험의 관측 범위를 넓히거나 기존 실험 데이터를 다르게 해석해 액시온 검출에 기여할 수 있을 것으로 판단하고 있다. 이번 연구에는 쿠니오 카네타 IBS 연구위원, 윤석훈 IBS 인턴학생 (한국과학기술원 박사과정)이 제1 저자로 참여했으며, 연구 성과는 지난 3월 10일 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 게재됐다.
이혜성 연구위원은 입자물리를 연구하는 이론물리학자다. 입자물리는 자연의 가장 근본적인 물질과 법칙들을 탐구하는 분야이다. 이 연구위원은 이론물리학자로서 자연계에 존재할 가능성이 있는 새로운 상호작용(힘)에 대한 연구를 오랫동안 하고 있다. 지금까지 밝혀진 자연의 힘은 중력, 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력 등 총 4가지다. 입자물리학에서는 이러한 힘을 매개하는 특정한 입자가 있다고 판단한다. 한 예로, 전자기력은 광자라 불리는 빛의 기본입자에 의해 매개된다. 따라서 새로운 힘을 연구한다는 것은 아직 발견되지 않은 새로운 매개체를 연구하는 것과 같다.
이 연구위원은 “입자물리 이론 연구는 즉각적으로 산업계에 큰 영향을 주기는 어렵지만, 새로운 기본 힘이 내포하는 의미는 크므로 실제로 발견된다면, 장기적으로 큰 영향을 끼칠 가능성이 있다고 봅니다”라며 “무엇보다도 현재 수수께끼 같은 암흑세계에 대한 이해를 크게 도울 것으로 짐작됩니다”라고 힘주어 말했다.
자연에 존재하는 법칙을 새롭게 발견하는 순수물리이론의 매력
이혜성 연구위원은 가초과학연구원(IBS)에서 순수물리이론 연구단의 영년직트랙 연구위원이다. 그가 위치하고 있는 센터는 많은 박사급 연구원들과 인턴 학생들로 이뤄져 있고, 이론 연구 특성상 프로젝트마다 팀이 새롭게 꾸려진다. 이 연구위원은 연구단에서 자연에 존재할 가능성이 있는 새로운 힘에 대한 연구를 하고 있다. 과거에는 힘을 전달하는 매개입자가 무거울 때 어떤 현상이 일어나는지를 연구했고, 최근에는 반대로 매개입자가 가벼울 때 어떤 현상이 일어나는지, 어떤 방법으로 탐색할 수 있는지를 찾는 중이다.
현재 이 연구위원이 연구하는 입자물리 이론분야는 오랫동안 공부해야 하는 분야기 때문에 그는 박사학위를 받고도 IBS에 몸을 담기 전에 10년 동안 외국의 여러 연구소와 학교에서 공부 및 연구를 해야 했다. 따라서 그는 이 학문 분야는 안정적으로 정착해서 일하는 데 있어 상대적으로 많은 시간이 걸리는 분야라고 설명했다. 긴 공부 기간이 필요했지만, 이 연구위원은 자연의 가장 근본적인 물질과 법칙을 다루는 입자물리학을 연구하는 데 열정이 있어 이 시간을 즐길 수 있었다고 전했다. 그는 자연의 근본적인 입자나 법칙을 밝히는 것은 산업적이나 인문학적인 활동과 다른 면이 있다고 생각한다. 어떤 상품이나 예술작품을 만드는 것은 무에서 유를 끄집어내는 발명이나 창작이라는 개인의 활동이 존재하지만, 물리학의 법칙들은 이미 자연에 존재하는 것을 ‘발견’하는 것이기 때문이다.
그는 “입자물리를 연구하는 태도에는 항상 근본적인 겸허함이 있어야 한다고 생각합니다. 자신의 창조활동이 아니라 이미 존재하는 것에 대해 연구하는 분야이기 때문입니다”라며 “한편으로는 오랫동안 한 가지 주제를 애착을 가지고 몰입할 수 있는 열정 또한 꼭 필요한 분야입니다. 탐험가와 같은 의지와 자신의 가는 길을 사랑하는 열정은 이 분야에 입문하고자 하는 학생들에게 꼭 확인하고 싶은 부분입니다”라고 설명했다.
