우리 과학의 계보, 현재, 미래를 한눈에 보여 주는 초대형 인터뷰 프로젝트

최준석의 과학 열전 1: 물리 열전 상

물리학은 양파 껍질 까기

최준석

출판사 사이언스북스 | 발행일 2022년 8월 30일 | ISBN 979-11-92107-19-6

패키지 반양장 · 신국 변형판 148x220 · 360쪽 | 가격 22,000원

분야 물리학

책소개

한국 과학의 풍경이 보인다!
우리 과학의 계보, 현재, 미래를
한눈에 보여 주는 초대형 인터뷰 프로젝트, 그 첫걸음

‘문과라서 죄송합니다.’라는 뜻을 가진 ‘문송합니다.’가 유행하는 2022년, 과학 전문 출판사인 ㈜사이언스북스에서 문과 출신 기자의 책이 출간되었다. 《주간조선》 편집장을 지냈고 현재 보건 의료 전문 정책지인 《더메디컬》의 편집 국장으로 재직 중인 최준석 기자의 『물리 열전』 상하권과 『천문 열전』이다. 「최준석의 과학 열전」이라는 시리즈의 1, 2, 3권이다. 정치부 기자로, 해외 특파원으로, 국제 전문 기자로, 시사 주간지의 편집장으로 40년 가까이 취재 현장에서 예리한 필봉을 휘둘러 온 베테랑 기자가 대한민국 과학계를 대표하는 물리학자와 천문학자 62명을 만나 인터뷰하고 취재한 기록을 책으로 담은 것이다.
인터뷰이의 목록이 화려하다. 한국 출생 여성 물리학자로 현재 전 세계 물리학계의 최정상이라고 할 미국 물리학회의 회장을 맡고 있는 김영기 시카고대 교수부터 시작해, 미래의 핵심 에너지원이 될 핵융합 연구의 국내 최고 전문가인 유석재 한국 핵융합 에너지 연구원 원장은 물론이고, 전 세계 천체 물리학계 대부분의 학자가 동의하는 암흑 에너지 연구에 대해 과감하게 반론을 제기하고 그 연구에 노벨상을 준 노벨상 위원회에 문제 제기를 하고 있는 이영욱 연세대 교수까지 성별, 나이, 세대, 지역을 불문하고 현대 과학의 최전선에서 궁극의 질문을 던지고 있는 물리학자와 천문학자 들을 만났다.
최준석 기자는 뒤늦게 과학에 푹 빠져 과학 교양서에 대한 독후감을 모은 『나는 과학책으로 세상을 다시 배웠다』라는 전작으로 과학 짝사랑을 고백한 바 있다. 그 후 2022년 6월 정년 퇴직할 때까지 「과학 연구의 최전선」이라는 제목으로 《주간조선》 지면에 과학자 인터뷰를 연재했다. 물리학자와 천문학자에서 시작했지만, 화학자, 수학자, 생물학자로 그 분야를 확대해 갔다. 그리고 정년 퇴직 이후에도 온라인 과학 전문지 《헬로디디》(대덕넷)에서 「수학자 열전」을 연재 중이다.

과학에 푹 빠진 문과 출신 기자가 전하는
지금껏 몰랐던 진짜 ‘과학자’들의 삶

“재밌다! 과학이.”이라는 말을 달고 다니는 최준석 기자는 과학책을 읽고 과학을 취재하고 과학자들의 만나면 만날수록 이상한 것들이 생겼다. 과학자 하면 떠오르는 사람들은 누구인가. 알베르트 아인슈타인, 스티븐 호킹 등 모두 외국 과학자들이다. 그렇다면 한국의 과학은 어떨까. 한국에는 어떤 과학자들이 있고, 그들은 무엇을 연구하고 있을까? 「최준석의 과학 열전」 시리즈의 첫 3권의 책은 이 두 가지 질문을 해결하기 위한 여정의 기록이기도 하다.
과학에 문외한이었다는 것은 취재의 장벽이기도 했지만 동시에 현장 연구자들이 오랫동안 잊고 있는 근본적인 연구 동기, 그들의 출발점이기도 했던 궁극의 질문들을 캐치할 수 있게 해 주는 지렛대이기도 했다. 일반 대중의 시선에서 던진 정곡일침(正鵠一針)의 과감한 질문과 엄밀한 팩트 체크, 학계에서 화제가 되는 인물이라면 그가 해외에 있든, 지하 1,000미터 아래 지하 실험실 안에 틀어박혀 있든 찾아가 만난 과감한 취재력은 그동안 과학 교양 콘텐츠가 보여 주지 못한 우리 과학자와 연구 현장 들은 물론이고, 대한민국의 과학이 도달한 지점을 생생하게 보여 준다.
유럽 입자 물리학 연구소 CERN, 페르미 연구소와 같은 세계적 위상을 자랑하는 연구소에서 당당히 활약하고 있는 국내 입자 물리학자들, 반도체 강국의 미래를 좌우할 물질 물리학의 최전선에서 구글이나 애플과 경쟁하며 반도체, 양자 기술 등을 발전시켜 나가는 물리학자들, 천문학계의 패러다임을 바꾸고, 남들과는 다른 새로운 방식으로 외계 행성과 우주의 기원을 찾아 나가는 한국의 천문학자들까지. 때로는 서로 경쟁하고, 때로는 함께 연구하며 전 세계 석학들과 어깨를 겨루는 한국의 과학자들을 두루 소개한다.
뿐만 아니라 강원도 정선 예미산 지하 1,000미터 지하에 건설된 암흑 물질과 중성미자 검출 실험실 ‘예미랩’, 대전에 건설 중인 중이온 가속기 라온(RAON) 건설 현장, 전 세계에서 가장 뛰어난 외계 행성 탐사 성과를 보여 주며 ‘제2의 지구’를 찾는 KMTNet 망원경 프로젝트 등 세계 수준의 국내 연구 시설을 보여 주며 이러한 실험을 준비하는 과학자들은 누구이며, 이곳에서 어떤 연구를 할 수 있는지, 지금 한국에서 진행되는 다양한 연구와 실험은 물론이고, 과거와 미래에 준비할 연구에 대한 계보까지, 「최준석의 과학 열전」 시리즈의 첫 책들인 『물리 열전』 상하권과 『천문 열전』에서 모두 확인할 수 있다.

때로는 서로 경쟁하고 때로는 공동 연구를 하며,
세계 석학들과 어깨를 겨루는 대한민국의 과학자들

이 책의 의외의 특징 중 하나는 이 책들을 읽고 나면, 한국 물리학의 계보와 역사가 은연중에 드러난다는 것이다. 현재 미국이나 유럽 같은 국제적인 연구 기관을 무대로 세계적인 성과를 거두고 있는 물리학자나 천문학자가 처음 물리 공부, 천문 공부를 시작했을 때 어떤 사람들로부터 배웠고 누구와 함께 연구했으며 어떤 인맥을 통해 새로운 학문의 세계로 갈 수 있게 되었는지, 그리고 한국의 어떤 연구 기관이 어떤 우여곡절을 통해 현재의 지위를 가지게 되었고, 그 지위를 유지하기 위해 어떤 노력을 하고 있는지 이해할 수 있게 된다. 말 그대로 우리 과학의 전모와 풍경이 펼쳐지는 것이다.
과학이 소수 엘리트의 전유물이며 과학 진흥은 국가의 대사일 뿐이 세상사에 바쁜 일반 시민이 알 바 아니라는 생각이 퍼져 있는 한국 사회에서 이 책의 이러한 특징은 물리학과 천문학이라는 첨단 기초 과학을 우리와 다를 바 없는 사람들이 하는 일로 만들어 주고, 우리 곁으로 가져와 준다. 과학자를 꿈꾸는 청소년이라면 이 책을 통해 과학자가 되는 다양한 과정을 엿볼 수 있을 것이다. 또 과학에 관심이 많은 성인 독자라면 과학이 발전하고 패러다임이 변화하는 과정과 과학자들 사이의 문화를 간접 체험할 수 있다. 과학에 전혀 관심이 없던 사람이라도 과학자들의 인생과 이야기를 통해 공통점을 찾아낼 수 있을 것이다.
중국 고대 역사가 사마천은 『사기 열전』의 첫 꼭지인 「백이․숙제」 편에서 “백이와 숙제가 비록 어질었어도 공자의 칭찬이 있고 나서야 그 명성이 드러났고, 시골에 묻혀 사는 사람 중에 덕행을 닦아 명성을 세우고자 하는 사람이라도 그것을 알려줄 선비를 만나지 못하면 어떻게 후세에 이름을 남길 수 있을까.”라고 썼다. 과학에 푹 빠진 문과 기자가 없었다면 정부 부처나 기업 연구소의 문서 창고나 수억 편의 논문이 업데이트되어 있는 인터넷 논문 사이트에 처박혀 잊혀졌을 연구자들의 이름과 그들의 땀과 피를 우리 독자들이 읽을 수나 있었을까. “문송합니다.”라는 말이 유행하는 시대를 넘어서 진정한 통섭(統攝)의 시대를 꿈꾸는 독자라면 이 책의 일독을 권한다.

편집자 리뷰

보이지 않는 곳에서
보이지도 않는 것들과 미래를 찾기 위해
고군분투하는 과학자들의 꿈과 현실

「최준석의 과학 열전」 시리즈의 첫 책들은 주로 물리학과 천문학 분야의 과학자들을 다룬다. 1권인 『물리 열전 상』에는 세상 만물을 구성하는 기본 입자를 찾고, 표준 모형의 한계를 넘기 위해 노력하는 입자 물리학자 24명의 인터뷰를 담았다. 양자 역학을 바탕으로 반도체 같은 물질의 특성을 연구하고 실험하는 물질 물리학자 23명의 인터뷰는 2권인 『물리 열전 하』에 모았다. 3권인 『천문 열전』에는 우주의 기원과 블랙홀의 비밀을 추적하는 천문학자 15명이 등장해 천문학계의 현실과 희망을 들려 준다.
물리학자 47명, 천문학자 15명. 한 사람당 평균 인터뷰 시간 4시간. 현직의 과학자들을 만나 질문과 답을 주고받은 시간 총 248시간이 이 책에 그대로 담겼다. 과학과는 무관한 삶을 살아온 저자의 시선은 보통의 삶을 살아가는 일반 대중들의 시선과 비슷하다. 저자는 과학계를 몰랐기 때문에 더욱 객관적으로 질문할 수 있었고, 세상이 바라보는 커다란 관점 안에서 과학계의 풍경을 조망했다.
저자는 한 명의 과학자를 만나기 위해서 서울에서 대전, 포항, 울산, 부산 등 전국 어디라도 서슴없이 달려갔다. 연구년을 보내기 위해 일본 교토에 가 있는 김윤호 교수를 만나러 일본행 비행기도 탔다. 첫 인터뷰 시간이 너무 짧았을 때에는 두 번째, 세 번째 인터뷰 약속을 잡았고, 어려운 경우에는 화상 회의 프로그램이나 전화 인터뷰, 이메일 등 다양한 방법으로 과학자들과 접촉했다.
또한 책에는 과학자들이 최준석 기자에게 설명하기 위해 제공한 사진이나 도표와 같은 자료들도 함께 실었다. 인터뷰에 응한 과학자들이 냈던 첫 박사 논문, 그리고 이들의 주요 연구 성과를 담고 있는 논문과 간략한 소개도 담겨 있다. 한정훈 교수가 개념을 설명하기 위해 직접 노트에 써 준 ‘방정식’, 그리고 자신의 연구 내용을 설명하기 위해 가득 채운 이성빈 교수의 칠판, 현재 건설 중인 예미랩을 둘러보기 위해 현장을 방문하여 찍은 사진들이 생생한 현장감을 더한다.
이 책은 한국 과학자들을 전면에 내세워 그간 잘 알려지지 않았던 우리나라의 과학계 현실에 대한 갈증을 해소해 줄 것으로 기대된다. 특히 국내 과학책 시장에 부족한 한국 과학자들을 집중 조명하고, 각 연구 분야마다 이어지는 연구자들의 유기적인 관계까지도 살펴볼 수 있게 한다. 과학계를 이루고 있는 사람과 그들 사이의 관계를 통해서도 연구가 어떻게 이뤄지는지, 그리고 연구 문화는 어떠한지를 간접 체험할 수 있다.

최고의 입자 물리학자를 찾았다! 그리고 그들의 입을 통해 들었다
대한민국 연구 현장의 생생한 현실

『물리 열전 상』은 총 4부 24장으로 구성되어 있다. 1부에서는 암흑 물질을 탐색하는 과학자들을 모았고 2부는 입자 가속기를 이용해 실험을 하는 과학자들이다. 3부는 중성미자를 탐색하는 과학자들, 4부는 표준 모형의 빈틈을 메우고자 하는 과학자들로 채워졌다.

1장 한국 최초 암흑 물질 실험을 만들다

김선기(서울 대학교 물리 천문학부 교수)

김선기 교수는 국내 최초로 암흑 물질 실험을 시작한 연구자다. 함께 연구를 해 왔던 김영덕 교수와 후배였던 김홍주 교수와 뭉쳐 1997년 한국에서 할 수 있는 독자적인 입자 물리학 실험을 모색했다. 실험은 KIMS라고 불렸다. 첫 실험 공간은 청평의 양수 발전소 지하 공간이었다. 그렇게 시작한 암흑 물질 실험은 현재 미국 예일 대학교 그룹과 영국 셰필드 대학교와 공동으로 하는 국제 실험인 COSINE으로 확장됐다. 이 김선기 교수 편에서는 한국의 암흑 물질 실험이 전개되어 온 역사와 향후 과제를 듣는다.

“우리는 30대 후반이었고, 에너지가 넘쳤다. 아이디어도 많았다. 무엇을 할 수 있을까 이야기했다. 한국에서 가속기 실험을 하는 것은 생각도 하지 못할 때였다. 하지만 암흑 물질, 중성미자 검출 실험은 돈이 많이 들지 않아도 할 수 있었다.” 이들은 연구비를 확보하기 위해 한국 연구 재단에 제출하는 연구비 제안서를 여러 번 썼다. 노력 끝에 2000년 창의 연구단 사업으로 선정돼 연구비를 받았고, KIMS 실험을 시작했다.” -24~25쪽에서

2장 윔프 찾아 양양 지하 발전소로 내려가다
이현수(기초 과학 연구원 지하 실험 연구단 부단장)

이현수 부단장은 기초 과학 연구원에서 암흑 물질을 찾기 위한 COSINE-100 실험을 총괄하고 있다. COSINE-100 실험은 우리나라 최초의 암흑 물질 실험인 KIMS 실험을 업그레이드시킨 후속 실험이다. 그는 대학원 시절 김선기 교수의 실험실에 들어가 양양 양수 발전소에 상주하며 검출기에서 나온 초기 데이터로 논문을 쓰며 암흑 물질 실험 계보를 만들었다. 그의 입을 통해 전 세계 암흑 물질 실험의 현주소와 국내의 연구 상황을 들어 보자.

암흑 물질 연구자에게 한국은 힘든 곳이었다. 박사 학위 과정이 끝난 2006년, 한국 연구 재단의 연구비 지원이 끊겼다. “그때 후배들이 힘들었다. 나보다 1년 늦게 시작한 후배는 검출기에서 나오는 데이터가 없어 논문을 쓸 수 없었다. 박사 학위가 몇 년이나 늦어졌다. 연구할 곳이 마땅치 않았다. 그런데 2011년 말 IBS가 생겼다. 한국의 암흑 물질 연구 집단이 IBS에 지원했다. 10~15년을 같이 연구해 온 그룹이다.” -43쪽에서

3장 암흑 물질의 양대 후보, 액시온을 찾아라
정우현(기초 과학 연구원 액시온 연구단 연구원)

정우현 박사는 기초 과학 연구원에서 액시온 검출 실험을 책임지고 있다. 액시온은 암흑 물질의 강력한 후보로 꼽히며 한국 물리학계는 액시온 연구에서 세계적인 수준에 이르러 있다. 그의 임무는 액시온을 찾아낼 실험 장치인 공진기와 증폭기를 만드는 것이다. 그리고 현재 세계 최초로 고자기장 안에서 작동하는 최고 효율의 공진기를 만들었다. 정우현 박사 편에서는 실험 장치를 만들고 개발하기 위해 고군분투하는 과학자들의 뒷이야기와 그 성과를 자세히 소개한다.

며칠 동안 시애틀에서 머무르면서 전 세계 유일한 액시온 검출 실험인 ADMX가 돌아가는 걸 봤다. 검출기를 어떻게 만들고, 어떻게 실험을 운영하는지 관찰했다. “굉장히 단순한 실험이나, 사람들이 왜 액시온 실험이 어렵다고 하는지를 알겠더라.” 공진기와 증폭기가 목을 쥐고 있었다. ADMX가 그때만 해도 공진기와 증폭기 기술이 부족해 액시온 입자를 검출할 수 있는 민감도에 접근하지 못했다. -52쪽

4장 암흑 물질을 찾을 방법은 많다
박종철(충남 대학교 물리학과 교수)

박종철 교수는 암흑 물질 이론 연구자였지만 지금은 실험 장치 개발에도 뛰어들었다. 2019년 4월 이길호 교수가 초저에너지 측정을 위해 개발한 센서를 보고 공동 연구를 제안했다. 지금은 삼성 미래 기술 육성 재단의 지원을 받아 이론으로만 꿈꿨던 ‘그래핀 조지프슨 접합 암흑 물질 검출기’를 직접 만들고 있다. 박종철 교수는 암흑 물질 연구의 전반을 소개하고, 자신만의 특별한 검출 방식을 제시한다.

“모든 가능성을 다 열어 놓고 연구한다. 우주선 관측도 계속 공부해야 한다. 우주선 실험이 매우 다양하다. 중성미자, 감마선 입자 등 우주선 종류가 다양하니까. 그걸 다양한 장소에서 다양한 실험 장치로 연구한다. 실험 결과가 나온 논문을 계속 공부하는 거다. 그래야 그걸 바탕으로 이론 논문을 쓸 수 있다. 입자 가속기를 통한 연구의 경우 암흑 물질을 어떻게 만들 수 있을까? 만들면 그 신호는 어떻게 볼까 생각해 왔다.” -67쪽에서

5장 윔프, 액시온, 심프? 진짜 암흑 물질은 무엇일까?
이현민(중앙 대학교 물리학과 교수)

이현민 교수는 암흑 물질의 후보인 윔프를 연구하며 ‘매개 입자 중심 모형’을 제안했다. 하지만 윔프가 암흑 물질이 아닐 가능성도 함께 연구한다. 가장 최근에 나온 새로운 후보 물질인 심프도 그의 주요 연구 대상이다. 그는 암흑 물질이라는 개념이 생기게 된 역사적 배경과 맥락을 친절하게 알려 준다. 또한 암흑 물질의 후보들, ‘윔프’, ‘액시온’, ‘심프’ 등을 하나씩 짚어 소개한다.

“암흑 물질과 일반 물질 사이를 연결하는 매개 입자가 있을 수 있다. 이 매개 입자의 성질을 이해하면 암흑 물질을 알 수 있다는 게 매개 입자 중심 모형의 아이디어다. 나는 매개 입자를 직접 실험으로 검증하는 노력을 5년 이상 해 왔다. 윔프를 찾기 위한 또 다른 접근이다. 이 연구는 박명훈 교수와 함께했다.”-86쪽에서

6장 입자 물리학의 세 가지 최전선
고병원(고등 과학원 물리학부 교수)

고병원 교수는 물리학에 존재하는 두 가지 표준 모형을 하나로 통합해야 한다고 말한다. 두 가지 표준 모형은 입자 물리학 표준 모형과 우주론 표준 모형을 말한다. 입자 물리학 표준 모형은 우주가 무엇으로 만들어졌는지를 기술하고, 우주론 표준 모형은 우주 시공간이 어떻게 변화해 왔는지를 기술한다. 그의 이야기 속에는 입자 물리학이 세상을 어떻게 기술해 왔는지, 그리고 앞으로 새로운 프런티어는 어디서 개척해야 할 것인지 담겨 있다.

 “‘암흑 QCD 모형’은 암흑 물질의 질량이 생기는 메커니즘을, 보통 물질인 양성자 질량이 생성되는 QCD 모형과 같은 방법으로 설명한 것이다. 다른 이들은 콜먼-와인버그 모형이라는 걸로 질량이 생기는 것을 설명했지만, 나는 다르게 접근했다. 새로운 강한 상호 작용을 통해 새로운 쿼크와 반쿼크가 결합하면 암흑 물질이 만들어질 수 있다. 이 모형은 보통 물질을 설명하는 QCD와 아주 비슷하다. 핵심이 같다.” 이론의 완결판은 이현민 교수 등과 함께 발표했다.” -99~100쪽에서

7장 차세대 입자 충돌기, 꼭 만들어야 한다
김영기(시카고 대학교 물리학과 교수)

김영기 교수는 미국 물리학회 회장이자 시카고 대학교 물리학과 학과장으로 전 세계 입자 물리학계를 이끄는 리더 중 하나다. 2004년 페르미 연구소 CDF 실험 공동 대표로 선출되면서는 뛰어난 실험 물리학자에서 미국 입자 물리학 커뮤니티 지도자로 발돋움했다. 그의 인터뷰를 통해 대륙별 입자 물리학계의 상황과 한국 물리학계가 나아가야 할 방향을 엿볼 수 있다.

 “중국에는 인력이 없다. 대형 입자 가속기를 짓기 위한 기술은 세계 고에너지 물리 커뮤니티에 흩어져 있다. 입자 충돌기를 지으려면 다른 나라 과학자에 의존할 수밖에 없다. 예를 들면 가속기에 들어가는 초전도 자석 기술은 미국 과학자들에게 있다. 때문에 글로벌 협력을 통해서만 건설이 가능하다.” -113쪽에서

8장 그 많던 반물질은 어디로 사라졌나?
권영준(연세 대학교 물리학과 교수)

권영준 교수는 소위 ‘B 공장’ 실험 3개에 참여해 왔다. 클레오 실험, 벨 실험, 벨 2 실험이다. B는 보텀 쿼크가 포함된 입자인 B 중간자를 가리키며, B 공장은 B 중간자를 대량으로 만들어 내는 가속기 시설이다. 권영준 교수는 우주가 처음 탄생했을 때 균형을 맞추고 있던 CP 대칭성은 어쩌다 붕괴됐는지, 그리고 반물질은 모두 어디로 사라졌는지 의문을 제기한다. 그의 이야기를 들으며 함께 우주의 미스터리를 파헤쳐 보자.

권영준 교수는 보텀 쿼크가 스트레인지 쿼크로 바뀌는 실험을 했다. “보텀 쿼크가 스트레인지 쿼크와 광자로 붕괴하는 소위 펭귄 다이어그램보다 더 복잡한 반응을 나는 찾으려 했다. 보텀 쿼크가 붕괴하면서 스트레인지 쿼크와 경입자, 그리고 경입자의 반입자 해서 모두 3개 입자가 나오는 반응을 연구했다. 내가 보고자 했던 경입자는 전자와 뮤온, 그리고 전자의 반입자, 뮤온의 반입자였다.”-128쪽에서

9장 빅뱅 후 기본 입자는 어떻게 만들어졌나?
윤진희(인하 대학교 물리학과 교수)

윤진희 교수의 연구 주제는 빅뱅 후 쿼크와 글루온이 플라스마 상태로 존재하는지 확인하는 것이다. 유럽 입자 물리학 연구소(CERN)의 입자 가속기(LHC)를 가지고 연구를 한다. 지상 최대 과학 실험이라고 불리는 입자 충돌 실험이다. 서로 반대 방향에서 나온 양성자나 납이 진공 파이프 안을 광속에 가까운 속도로 달리다 정면 충돌한다. 그의 인터뷰를 통해 물리학자들이 초기 우주의 상태를 어떻게 관찰하고 시뮬레이션하는지 살펴볼 수 있을 것이다.

QGP가 빅뱅 이후 우주 탄생 과정에서 만들어지지 않으면 어떻게 되는 걸까? 윤진희 교수는 “QGP가 존재했을 것이라 생각한다. 그렇게 믿는다. 하지만 실험으로 그렇다는 걸 확인해야 한다. QGP의 정확한 특성을 이해해야 한다.”라고 말했다. 이어서 “확실히 판단하려면 앞으로 몇 년이 더 걸릴 것이다. 앨리스 실험 데이터를 받아 분석하는 데도 시간이 걸린다.”라고 말했다. -139쪽에서

10장 극한 환경에서 만들어진 핵물질은 어떤 모습일까?
홍병식(고려 대학교 물리학과 교수)

홍병식 고려 대학교 물리학과 교수는 한국 최초의 핵물리학 전문 연구 그룹을 이끈다. 또한 대전에 건설 중인 중이온 가속기 라온의 LAMPS 실험을 책임지고 있다. 핵물리학의 선두 주자인 그가 고에너지 물리학과 저에너지 물리학의 차이점을 짚고, 국내에서 준비 중인 저에너지 물리학 실험 장치인 라온과 그 실험 내용도 함께 소개한다.

“유럽 입자 물리학 연구소의 LHC와 같은 고에너지 가속기는 주로 국제 협력을 통해 건설된다. 천문학적인 건설 비용도 문제지만 가속기를 운영할 전문 인력도 한 나라가 감당할 수 없다. 반면 저에너지 가속기는 우리가 감당할 수 있는 장비인 동시에 학문적으로도 중요하다.”-150쪽에서

11장 CERN의 입자 검출기에 사용할 기계 장치를 만들다
박인규(서울 시립 대학교 물리학과 교수)

박인규 교수는 유럽 입자 물리학 연구소의 연구 자원을 업그레이드하는 데 국내 기술을 활용하는 방안을 떠올렸다. 입자 가속기 실험 중 하나인 CMS에 참여하면서 가속기에 장착된 전자 증폭기를 국내 기업에서 만들어 납품하게 하자는 생각이다. 인터뷰에서는 그가 어떻게 아이디어를 떠올렸는지, 그렇게 만든 기술력은 앞으로 어떻게 활용될 수 있는지 다양한 이야기를 전하고 있다.

“GEM 검출기를 응용하면 진단용이 아닌 치료용 엑스선 촬영기를 만들 수 있다. 치료용 엑스선은 고에너지를 쓴다. 현재의 엑스선 건판은 고에너지 엑스선을 쏘이면 망가지나, GEM 검출기는 고에너지 엑스선으로 때려도 멀쩡하다.” -166~167쪽에서

12장 양자 우주 속 새로운 대칭성을 찾는다
양운기(서울 대학교 물리 천문학부 교수)

양운기 교수는 영국 맨체스터 대학교에서 물리학을 가르치다 서울 대학교로 옮겨 왔다. 인터뷰에서는 한국 과학 교육에 대한 쓴소리도 많이 했다. 그는 인터뷰에서 자신의 연구 인생을 담담하게 들려준다. 이야기를 듣다 보면 입자 물리학자들의 고뇌와 어려움, 그리고 입자 물리학의 발전과 변화의 동역학을 등을 간접적으로 느낄 수 있다.

양운기 교수의 영국 선택은 세계 입자 물리학의 중심지가 미국에서 유럽으로 바뀌는 것과 맥락을 같이한다. “입자 물리학 연구자는 최전선 연구를 하는 실험실 바로 옆에 있어야 한다. 시카고 대학교가 유명했던 이유는 페르미 연구소가 옆에 있었기 때문이다. -177쪽에서

13장 입자 검출기용 초고속 카메라를 만든다
유인권(부산 대학교 물리학과 교수)

유인권 교수는 유럽 입자 물리학 연구소의 검출기에 들어가는 실리콘 검출기를 제작했다. 연구 개발과 인건비를 포함해 총 400억 원 규모의 프로젝트였다. 유인권 교수는 인터뷰를 통해 전 세계 과학자들이 어떻게 협력하는지, 또 실험 물리학자가 어떻게 장비를 직접 만드는지를 낱낱이 공개한다.

“칩을 가공할 기업부터 와이어 본딩(지름 십수 마이크로미터의 금제 또는 알루미늄제 와이어를 이용해 회로 기판의 전극 등을 연결하는 작업)할 업체에 이르기까지 모두 직접 찾아야 했다. 아무도 해 본 적이 없는 일이다. 모든 과정에 연구 개발이 필요했다. 한국이 모든 칩 검사를 맡았다.” -195쪽에서

14장 차세대 입자 가속기를 개발한다
정모세(울산 과학 기술원 물리학과 교수)

정모세 교수는 차차세대 입자 가속기인, 플라스마 가속기와 뮤온 가속기를 연구한다. 한국 최고의 가속기 물리학자인 그의 입을 통해 가속기 설계의 현주소와 CERN의 차세대 플라스마 가속기 개발 현황을 들어 보자.

“가속기 빔의 품질을 향상시키는 연구도 하고 있다. 포항 방사광 가속기의 ‘전자 빔 이온 트랩’과 대전에 짓고 있는 중이온 가속기를 위한 ‘전자 빔 이온 소스’가 그중 하나다. 트랩 장치의 응용 연구는 CERN에서 수행 중인 반물질의 중력 낙하 실험도 있다. 그러기 위해서는 수소의 반물질인 반수소를 만들어야 한다. 반수소는 반양성자 주위를 돌고 있는 물질이다. 한국에서 반양성자를 뽑아내어 가두고 길들이는 이온 트랩을 만들고 있다. 김선기 교수가 만드는 걸 돕고 있다.” -207쪽에서

15장 르노 실험으로 중성미자 진동의 마지막 열쇠를 풀다
김수봉(전 서울 대학교 물리 천문학부 교수)

김수봉 교수는 2017년 러시아 최고의 국립 핵물리학 연구소인 합동 원자핵 연구소에서 브루노 폰테코르보 상을 받았다. 그가 이끈 원자로 중성미자 진동 실험의 성과를 인정받은 덕분이다. 김수봉 교수가 구상하는 새로운 실험, 한국 중성미자 관측소 프로젝트에 대한 내용을 이번 인터뷰에서 확인할 수 있다.

“일본의 중성미자 빔 생산 시설을 이용해 한국에서 중성미자 실험을 하면 어떨까 하는 아이디어를 떠올렸다. 당시 슈퍼 카미오칸데 실험 대표였던 가지타 교수도 적극적이었다. 우리는 한국에 세 번째 중성미자 검출기 설치를 추진하기로 했다. 2000년대 중반 이를 구체화하기 위한 세미나를 서울과 도쿄에서 세 차례 열었다.” -226쪽에서

16장 정선 지하 1,000미터에 들어선 물리학 실험실
김영덕(기초 과학 연구원 지하 실험 연구단 단장)

김영덕 단장은 현재 기초 과학 연구원의 지하 실험 연구단에서 중성미자 실험의 공동 대표를 맡고 있다. 실험실은 강원도 정선 예미산 1,000미터 지하에 있다. 그는 극히 희귀하고 관측이 어려운 중성미자 미방출 2중 베타 붕괴를 보는 법과 그 의미에 대해 자세히 알려 준다.

“손가락 마디 정도 크기면 아보가드로수 이상의 원자가 들어 있다. 몰리브덴 100 반감기보다 10만 개 많다. 그러니 아보가드로수의 원자 중에서 1년에도 10만 개 이상이 다른 물질로 붕괴한다고 볼 수 있다. 하루에도 엄청나게 많은 2중 베타 붕괴를 관측하고 있다. 그러니 몰리브데넘 100을 많이 확보하고 있으면 된다.” -239쪽에서

17장 중성미자 검출 장치, 필드 케이지를 제작하다
유재훈(텍사스 대학교 물리학과 교수)

유재훈 교수는 페르미 연구소의 DZero 검출기를 성공적으로 업그레이드한 과학계 리더이다. 지금은 새로 만드는 CERN의 입자 충돌기 실험, DUNE에 참여해 중성미자 검출 장치를 만들고 있다. DUNE 실험은 30개 나라, 175개 기관이 참여하고 있는 대규모 프로젝트이다. 이번 인터뷰에는 DUNE 실험의 목표와 검출 원리, 그리고 그가 어떻게 검출기 개발 능력을 가지게 되었는지 등의 이야기를 담고 있다.

“스위스 제네바에 있는 CERN에서 찍은 사진이다. 알루미늄으로 전기장 필드 케이지(electric field cage)를 만들었다. 2017년 텍사스 대학교에서 학생 12명과 케이지 부품들을 만들고, 2018년 초 CERN으로 가져가 조립했다. 조립에만 6개월이 걸렸다. 완성 뒤 알루미늄 방 모양의 필드 케이지에 들어가 기념 사진을 찍었는데 페르미 연구소 측에서 그걸 홍보용 포스터로 제작했다.” -243쪽에서

18장 오른손잡이 중성미자는 어디로 갔을까?
강신규(서울 과학 기술 대학교 기초 교육 학부 교수)

강신규 교수는 20년 가까이 중성미자를 연구해 왔다. 그의 연구는 중성미자의 질량을 주는 메커니즘에 집중되어 있다. 중성미자 세 종류가 어떤 비율로 중첩 혹은 혼합되어 있는지를 설명하는 것이다. 인터뷰를 통해 중성미자가 왜 미스터리인지, 그리고 중성미자 물리학은 어떤 방향으로 연구가 진행되고 있는지를 소개한다.

“오른손잡이 중성미자는 어디로 갔을까? 중성미자의 최대 미스터리이다. 학계는 오른손잡이 중성미자가 있는지 없는지, 만약 있다면 질량은 얼마인지 궁금해한다. 수많은 노력에도 불구하고 아직 실험에서 오른손잡이 중성미자를 보지 못하고 있다. 오른손잡이 중성미자가 발견된다면 노벨상감이다. 오른손잡이 중성미자는 질량이 매우 무거울 것이라는 관측이 유력하다.” -259~260쪽에서

19장 무거운 쿼크 유효 이론을 만들었다
최준곤(고려 대학교 물리학과 교수)

최준곤 교수는 국내 최초의 양자 색역학 연구자이다. 양자 색역학은 원자핵 안에 양성자들을 붙들어 놓는 힘인 강력을 다루는 물리학이다. 그는 인터뷰에서 양자 색역학 연구가 얼마나 어려웠는지, 그리고 양자 색역학 연구자가 부족한 국내 상황은 어떠한지 등을 털어놓았다.

“지도 교수 조자이와 함께 쓴 이 논문은 논문이 나오고 4년이 지난 뒤에야 인용되기 시작했다. 무거운 쿼크 유효 이론 연구가 이때가 되어서야 QCD 연구자 사이에서 붐을 이뤘다. 하버드 대학원 2년 후배인 애덤 포크 앨프리드 슬론 재단 이사장이 그 이유를 나중에 알려 줬다. 당시는 그게 무슨 말인지 아무도 몰랐기 때문이라고 했다.”-276쪽에서

20장 강력을 설명하는 격자 QCD 물리학
김세용(세종 대학교 물리학과 교수)

김세용 교수는 격자 QCD 연구자이면서 동시에 슈퍼컴퓨터 분야에서 잘 알려진 연구자다. 슈퍼컴퓨터로 연구를 시작하게 된 배경과 국내에 슈퍼컴퓨터가 도입이 될 무렵 자문을 해 주었던 일화 등이 인터뷰에 담겼다.

인텔 모델에서 결함을 찾아냈다. 인텔 자체의 정확도 검사에서는 문제가 드러나지 않았으나, 김세용 교수가 격자 QCD 연구를 위해 제작한 프로그램 코드로 확인해 보니 매번 다른 계산 결과를 내놓았다. 인텔은 이 오류를 수정하고, 1992년 인텔 파라곤(Paragon)이라는 이름으로 제품을 상용화했다. 그는 고성능 컴퓨터를 다룬 연구 경력 때문에 지인들로부터 납땜과 인두로 QCD를 배웠다는 우스갯소리를 듣는다. -283쪽에서

21장 우주는 몇 차원 공간일까?
박성찬(연세 대학교 물리학과 교수)

박성찬 교수는 차원 연구에 깊게 몰두한다. 그는 눈에 보이지 않는 다른 차원의 공간, 즉 여분 차원의 개념을 소개하고, 또 무거운 광자가 여분 차원 안에 있을 것이라 예측했다. 그의 인터뷰에서 여분 차원을 돌아다닐 수 있는 가상의 KK 입자에 대한 이야기를 들을 수 있다.

입자 충돌기에서 실험을 통해 확인 가능한 모형으로 큰 여분 차원 모형과 랜들-선드럼 모형이 있다. 두 모형을 결합해 만든 것이 박성찬 교수의 ‘쪼개진(split) 보편 여분 차원 모형’이다. 그의 여분 차원 연구는 2011년에 이론적으로 마무리됐다. 이제는 실험가에게 ‘여분 차원을 찾아 주세요.’라며 공을 넘겼다. -302쪽에서

22장 블랙홀은 양자 중력 문제를 풀 수 있는 도구다
김석(서울 대학교 물리 천문학부 교수)

김석 교수는 1970년대 스티븐 호킹이 한 연구와 후안 말다세나라는 뛰어난 끈 이론가의 홀로그램 양자 중력 연구를 이어받았다. 이번 인터뷰에서는 지난 20년간 블랙홀을 양자 역학과 통계 역학을 써서 미시적으로 이해하려는 인류의 노력과 다양한 블랙홀을 기술하는 하나의 방법을 소개한다.

“가장 간단한 군들의 블랙홀이 있다. 초대칭 블랙홀이라고 한다. 특정한 대칭성을 가진 블랙홀은 그 대칭성을 이용해서 강한 상호 작용 영역에서 계산할 수 있다. 그 결과 블랙홀의 놀라운 상전이를 발견했다. 나는 화학 퍼텐셜을 조절하면서 정량적으로 블랙홀을 연구했다.” -315쪽에서

23장 중력파로 암흑 물질 찾는다
정성훈(서울 대학교 물리 천문학부 교수)

정성훈 교수는 중력파를 사용해 입자 물리학을 연구한다. 그는 인터뷰를 통해 중력파로 엿볼 수 있는 초기 우주의 모습과 입자 현상론, 우주론의 결합 가능성을 강조했다. 중력파를 검출하는 원리에 대한 소개부터 그가 관측한 중력파 최신 연구 성과까지 모두 이번 편에 들어 있다.

지금은 블랙홀 2개가 1초에 10바퀴 이상 빠르게 서로 회전하는 시간대에서만 중력파를 들을 수 있다. 차세대 저주파 중력파 검출기는 블랙홀들이 서로 한 바퀴 도는 데 100초가 걸릴 때부터, 즉 천천히 회전할 때부터 중력파를 검출하게 된다. 충돌하는 두 별은 처음에는 서로 천천히 회전하다가 시간이 지나면서 빨리 회전한다. 즉 차세대 저주파 검출기는 두 천체가 충돌해서 하나로 합쳐지기 한참 이전부터 중력파를 검출할 수 있게 된다. -327쪽에서

24장 정밀 힉스 물리학으로 새로운 길을 연다
박명훈(서울 과학 기술 대학교 기초 교육 학부 교수)

박명훈 교수는 힉스 입자가 발견되던 2012년 유럽 입자 물리학 연구소 현장에 있었다. 그는 힉스 입자가 발견되었던 역사적 배경부터 최근 힉스 입자를 발견하고 발표한 기자 회견에서의 에피소드 등을 풀어놓는다. 또 여전히 과학자들이 풀지 못한 힉스 입자에 대한 풀리지 않은 의문점, 최근 딥 러닝을 이용한 연구 동향 등을 인터뷰에서 공개했다.

 “일단은 LHC를 쥐어짜야 한다. LHC의 데이터를 정밀하게 들여다보고 새로운 물리학의 단서가 그 안에 숨어 있는지를 확인해야 한다. 이런 입자 물리학의 연구를 정밀 힉스 물리학이라 한다. 그렇기 때문에 힉스는 새로운 물리학으로 가는 등대이다.” -337쪽에서

목차

1권 물리 열전 상

책을 시작하며: 이제 사람으로 과학을 배운다 007

1부 보이지 않는 것을 보려는 사람들
1장 한국 최초 암흑 물질 실험을 만들다 019
김선기 서울 대학교 교수
2장 윔프 찾아 양양 지하 발전소로 내려가다 033
이현수 IBS 지하 실험 연구단 부단장
3장 암흑 물질의 양대 후보, 액시온을 찾아라 047
정우현 IBS 액시온 및 극한 상호 작용 연구단 연구원
4장 암흑 물질을 찾을 방법은 많다 061
박종철 충남 대학교 교수
5장 윔프, 액시온, 심프? 진짜 암흑 물질은 무엇일까? 077
이현민 중앙 대학교 교수
6장 입자 물리학의 세 가지 최전선 091
고병원 고등 과학원 교수

2부 지구 최대의 과학 실험을 수행하는 물리학자들
7장 차세대 입자 충돌기, 꼭 만들어야 한다 105
김영기 시카고 대학교 교수
8장 그 많던 반물질은 어디로 사라졌나? 119
권영준 연세 대학교 교수
9장 빅뱅 후 기본 입자는 어떻게 만들어졌나? 133
윤진희 인하 대학교 교수
10장 극한 환경에서 만들어진 핵물질은 어떤 모습일까? 143
홍병식 고려 대학교 교수
11장 CERN의 입자 검출기에 사용할 기계 장치를 만들다 157
박인규 서울 시립 대학교 교수
12장 양자 우주 속 새로운 대칭성을 찾는다 171
양운기 서울 대학교 교수
13장 입자 검출기용 초고속 카메라를 만든다 185
유인권 부산 대학교 교수
14장 차세대 입자 가속기를 개발한다 197
정모세 울산 과학 기술원 교수

3부 유령 같은 중성미자를 쫓는 물리학자들
15장 르노 실험으로 중성미자 진동의 마지막 열쇠를 풀다 213
김수봉 전 서울 대학교 교수
16장 정선 지하 1,000미터에 들어선 물리학 실험실 229
김영덕 IBS 지하 실험 연구단 단장
17장 중성미자 검출 장치, 필드 케이지를 제작하다 241
유재훈 텍사스 대학교 교수
18장 오른손잡이 중성미자는 어디로 갔을까? 253
강신규 서울 과학 기술 대학교 교수

4부 궁극의 입자와 궁극의 힘을 찾아서
19장 무거운 쿼크 유효 이론을 만들다 267
최준곤 고려 대학교 교수
20장 강력을 설명하는 격자 QCD 물리학 279
김세용 세종 대학교 교수
21장 우주는 몇 차원 공간일까? 291
박성찬 연세 대학교 교수
22장 블랙홀은 양자 중력 문제를 풀 수 있는 도구다 305
김석 서울 대학교 교수
23장 중력파로 암흑 물질 찾는다 317
정성훈 서울 대학교 교수
24장 정밀 힉스 물리학으로 새로운 길을 연다 331
박명훈 서울 과학 기술 대학교 교수

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작가 소개

최준석

연세 대학교 신문 방송학과를 졸업하고 미국 미시간 대학교에서 미시건 저널리즘 펠로로 공부했다. 1986년 《조선일보》 기자로 언론계에 들어가 정치부 차장, 뉴델리 특파원, 카이로 특파원을 거쳐 국제 전문 기자로 일했다. 2010년에는 《주간조선》 편집장으로 자리를 옮겼고, 현재는 보건 의료 정책 월간 신문 《더메디컬》 편집 국장이다. 지은 책에 『간디를 잊어야 11억 시장이 보인다』, 『함두릴라, 알카히라』, 『인도 싫어하거나 좋아하거나』, 『나는 과학책으로 세상을 다시 배웠다』가 있다. 2018년부터 2022년까지 한국 과학자들을 인터뷰하는 「과학 연구의 최전선」시리즈를 《주간조선》에 연재했고, 지금은 수학자들을 만나며 《헬로DD》에 연재를 계속하고 있다.

독자 리뷰