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건국대 조용민 석학교수 ‘자기홀극’, 제2의 ‘신의 입자’ 될까

CERN, ‘조-메이슨(Cho-Maison) 자기홀극’ 존재 확인 나서

건국대 조용민 석학교수 ‘자기홀극’, 제2의 ‘신의 입자’ 될까
[산업일보]
건국대 조용민 석학교수

‘신의 입자’로 불리는 힉스(Higgs) 입자의 실체를 확인해 세계적 관심을 모았던 스위스 유럽입자물리연구소 (CERN) 가 국내 원로 물리학자가 가설을 세우고 존재를 예측한 우주 입자인 ‘조-메이슨 (Cho-Maison) 자기홀극 (magnetic monopole)’ 을 실제로 찾기 위한 실험을 시작해 과학계의 관심이 쏠리고 있다.

세계 최대 입자가속기를 운영하는 CERN은 힉스보다 더 중요한 발견이 될 조용민 건국대 석학교수(전 서울대 천체물리학부 교수)의 이름을 딴 조 메이슨 (Cho-Maison) 자기홀극을 실제 발견하기 위해 최근 MoEDAL 이라는 일곱 번째 검출기 (“The Magnificient Seventh”) 를 만들어 실험을 시작했으며, 이같은 사실이 CERN 의 유명한 과학 잡지 ‘CERN 쿠리어 (CERN Courier)’ 최신호에 상세히 소개됐다.

전 세계 10개국 (미국 영국 독일 프랑스 이태리 등) 18개 대학 과학자들이 참여한 가운데 세계 최대 입자가속기로 한국 사람의 이름이 붙여진 우주 입자를 찾는 것은 처음이다.

‘자기홀극’은 N극 혹은 S극 한 점에서 끝나는 자기장을 만드는 우주 입자로 지금까지 빅뱅과 대통일이론(Grand Unified theories) 등 다양한 물리학이론에서 활발하게 연구돼 왔으나 아무도 자기홀극을 실험적으로 발견하지 못했다. 자석의 N극과 S극처럼 자기장은 +와 -가 각기 따로 존재하는 전기장과 달리 한 점에서 끝나지 않고 항상 이중극의 닫힌 고리를 만든다고 여겨졌으나 1931년 폴 디랙(Dirac) 이 자기장도 단일 극(홀극)으로 한 점에서 끝나는 ‘자기홀극’이 존재할 수 있다는 것을 처음으로 증명한 후 지금까지 수많은 과학자들이 이 자기홀극의 발견을 위해 노력해 왔다.

1864년 맥스웰 (Maxwell) 이 그 당시 서로 다른 힘으로 생각됐던 전기력과 자기력을 하나의 전자기력으로 통합함으로 통일장 이론의 토대를 만든 후 1967 년 와인버그(Weinberg) 와 살람(Salam)이 이 전자기력과 약력을 하나의 전기약력 이론으로 통합함으로 이른바 표준모형을 만들었다. 그런데 이 이론의 핵심이 바로 힉스(Higgs) 입자로 이 입자의 발견은 표준모형이 마지막 테스트를 통과했음을 의미한다.

그러나 표준모형의 성공은 디랙의 자기홀극도 전기약력의 자기홀극으로 변해야 됨을 의미한다. 이 표준모형의 자기홀극이 바로 조용민 석학교수가 1997년 독일막스플랭크이론물리연구소 디터 메이슨(Dieter Maison) 수석연구원과 함께 세계최초로 제안한 ‘조-메이슨(Cho-Maison) 자기홀극’이다.

조 석학교수는 당시 아세아-태평양 이론물리센터 (APCTP) 를 국내에 설립하고 초대 사무총장으로 재직하면서 Dirac 의 홀극을 확장시켜 Cho-Maison 홀극을 예측했는데 이 홀극은 Dirac 의 홀극과는 여러 가지 다른 성질을 갖고 있다. 이 홀극이 중요한 이유는 이것이 표준모형에서 존재하는 유일한 자기홀극이므로 현실적으로 존재할 수 있는 단 하나의 자기홀극 이라는 점이다.

1964년 힉스 (Higgs) 가 그의 입자를 예측한 후 50여년이 지난 최근 이 입자가 실체를 나타내고 있는데 조 교수의 자기홀극은 예측한지 불과 15년이며 이를 발견하는 실험도 막 시작 된 단계이므로 실제 발견까지 많은 시간이 들 수도 있으나, 표준모형이 맞는 한 이 자기홀극은 존재할 가능성이 매우 높으므로 CERN 의 세계 최대 입자가속기 LHC (Large Hadron Collider) 를 통해 발견할 수 있을 것으로 예상된다. 실제 CERN 은 홍보지 쿠리어 (Courier) 최신호에서 자기홀극 발견을 위한 연구를 소개하면서 조-메이슨 자기홀극부터 탐색을 시작한다고 밝혔다.

CERN이 이번 연구를 통해 조-메이슨 자기홀극의 존재가 실제로 확인되면 물리학의 100년 넘는 숙제가 풀리게 되며, 완전히 새로운 형태의 우주 물질의 존재를 확인하는 것으로 블랙홀의 발견에 비견되는 물리학 사상 또다른 새로운 발견이 될 것으로 평가되고 있다.

조용민 건국대 석학교수(68)는 입자물리학이론과 우주론 분야에서 세계 최고 수준의 이론물리학자로 이 자기홀극 이외에도 1975년 중력과 게이지이론을 하나의 고차원 중력이론으로 통일하는 고차원 통일장 이론의 기하학적 구조를 최초로 밝힘으로 자연계에 존재하는 4개의 힘을 통일하는 통일장 이론의 초석을 다진바 있으며 이를 이용해 자연계에는 우리가 모르는 이른바 “제 5의 힘” 이 반드시 존재한다는 예측을 한 바 있다.

또한 그는 상금 100만 달러의 ‘새천년 문제 (Millennium Problem)’ 로 잘 알려진 양자 색역학 (QCD) 의 색감금 문제를 해결하기 위해 “Cho-decomposition” 으로 알려진 새로운 방법을 도입해 자기홀극 응집을 증명하는 법을 제안한 바 있는데 최근 일본 국립 고에너지연구소(KEK) 의 격자 색역학 (Lattice QCD) 팀이 컴퓨터 계산으로 조교수가 제안한 방법이 옳다는 것을 증명하는데 성공했다. 이 결과가 독립적으로 확인될 경우 그는 새천년 문제를 푼 사람으로 인정될 전망이다.

조 석학교수는 이러한 공로를 인정받아 그는 올해 상허(常虛)문화재단이 선정하는 제22회 상허대상 학술부문을 수상했다.

조 석학교수는 서울대 물리학과를 졸업하고 미국 시카고대에서 물리학 박사학위를 받은 뒤 미국 페르미연구소, 독일 막스플랑크연구소, 유럽 핵 연구소 등을 거쳐 1982년부터 2009년까지 28년간 서울대 천체물리학부 교수로 재직했으며 올해 9월 건국대 석학교수로 초빙됐다.

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