입자물리학은 세상을 구성하는 가장 기본적인 입자들을 다루는 분야로 물질을 구성하고 있는 입자가 무엇이고 입자들 사이의 상호작용을 알아내어 자연현상의 본질에 대한 질문을 탐구하는 학문이다. 고에너지 물리학(high energy physics)이라 불리기도 한다.

▲ 김진의 교수는 아주 가벼운 액시온을 창안하고, 약하게 상호작용하는 무거운 입자들의 우주론적 영향 계산 및 초끈이론으로부터 표준모형 구축에서 세계적 업적을 이루었다

광주과학기술원의 김진의 석좌교수가 주목을 받고 있다. 김진의 교수는 아주 가벼운 액시온을 창안하고, 약하게 상호작용하는 무거운 입자들의 우주론적 영향 계산 및 초끈이론으로부터 표준모형 구축에서 세계적 업적을 이루었다.

아주 가벼운 액시온 창안으로 전 세계 주목 받다
서울대 명예교수로도 활동 중인 김진의 교수는 “입자물리학은 우주는 어떤 종류의 입자로 구성되어 있는지, 그들은 어떤 힘의 법칙을 가지고 운동하는지를 연구하는 학문”이라며 “궁극적으로는 우주가 시공간의 한 점에서 탄생될 때, 가장 기초가 되는 힘의 법칙을 찾아내는 것이다. 이를테면 뉴턴의 거리의 제곱에 반비례한다는 중력법칙보다는 ‘가장 큰 대칭성’이라는 법칙이 논리적으로 적합한 법칙이라고 생각되며, 그 대칭성에 의한 입자들과 힘의 법칙으로부터 현재의 자연 현상을 기술하는 것을 입자물리학이라 한다”고 설명했다. 김진의 교수의 가장 큰 업적은 다름 아닌 아주 가벼운 액시온의 창안이다. 그는 아주 가벼운 액시온을 창안함으로써 강한 상호작용을 하는 이론인 QCD를 완성시키고자 했다. 그는 QCD의 완성에 필요한 아주 가벼운 액시온을, 입자물리의 표준모형에 더하여 창안하였다. 그가 창안한 아주 가벼운 액시온은 수명이 1040년보다 길어서 지금도 남아 있을 수 있는 입자이고 우주의 암흑물질이 될 수 있다. 우주의 암흑물질은 은하계를 만드는 씨앗이 되었다는 점에서 더욱 의미가 깊다. 즉 모든 별들을 있게 하는 은하들을 만드는 기초가 암흑물질이었던 것이다. 아주 가벼운 액시온은 김진의 교수의 액시온으로서 지금은 KSVZ 액시온이라 불리고 있다. 1990년대부터 우주의 암흑물질로서의 아주 가벼운 액시온 발견을 위해 세칭 Sikivie Cavity Detector가 고안되게 되었다. 이십여 년 간의 실험은 아직 그 정밀도가 암흑물질 액시온을 발견하는데 미치지 못했으나 최근 계속 액시온 실험이 활발히 연구되고 있어 발견 희망을 드높게 하고 있다. 김진의 교수의 업적의 우수성은 그의 업적이 유명 개괄논문들 Physics Report 및 Reviews of Modern Physics로부터 같은 주제로 두 번이나 초청된 점으로도 알 수 있다. 특히 그 중 Reviews of Modern Physics잡지는 물리학 분야에서 IF가 제일 높은 IF44로서 극히 제한된 사람만 초청받아 집필할 수 있는 저널이다. RMP는 1년에 40편 정도 밖에 싣지 않는데, Physical Review Letter의 경우 한 주에 80편 정도가 실리므로 1년이면 4,000여 편이 실리기 때문에 저자수로 따져 RMP에 싣는 것의 어려움은 1/1,000 내지 1/10,000 정도로 희귀하다. 특히 한국인으로서 RMP에 초청된 학자로는 김진의 교수 외에 그의 선배였던 한국 입자물리학의 대부 이휘소 박사 뿐이었다.

“액시온은 나의 꿈이다”

▲ 김진의 교수는 “나의 연구는 액시온이라는 입자와 연관을 지을 수 있을 정도로 액시온과 관련이 있다”면서 “우주의 기본 입자를 찾아낸다는 것, 이것은 입자물리학자들의 꿈이었고 액시온은 나의 꿈이다”고 강조했다

“나는 우주에서 가장 기본이 되는 입자를 연구하는 입자물리학자다. 이 분야는 1970년대 이후 우주론의 기초가 되었고, 내 일생의 연구에 대해 나는 희열을 느낀다.” 김진의 교수는 University of Rochester Ph.D로서 Brown University Research Associate, University of Pennsylvania Research Investigator를 거쳤다. 1980년 서울대로 자리를 옮겨 물리 천문학부 교수를 역임했다. 안식년 동안에는 CERN, University of Michigan, Harvard University, 고등과학원, University of Bonn에서 연구하였으며, 재임 당시 물리학과 학과장, 연구처장, 이론물리학연구소장 등을 역임했다. Physics Report 1편 및 Review of Modern Physics 2편의 개괄논문들로 살펴볼 수 있듯이 입자물리학의 표준모형 정립 및 아주 가벼운 액시온 창안으로 유명하다. 한국과학상 대상, 호암상, Humboldt Research Award, 과학기술훈장, 최고과학기술인상을 수상하였고, 2006년 국가석학 중 한 명으로 선정되기도 했다. 김진의 교수는 “나의 연구는 액시온이라는 입자와 연관을 지을 수 있을 정도로 액시온과 관련이 있다”면서 “우주의 기본 입자를 찾아낸다는 것, 이것은 입자물리학자들의 꿈이었고 액시온은 나의 꿈이다”고 강조했다. 화공학과를 졸업했지만 <파인만의 강의록>을 읽고 물리학자의 길을 선택했던 김진의 교수. 김 교수는 “파인만은, 인류가 멸망하게 되어 한 가지만을 미래의 지적인 생명체에 남긴다면 ‘원자론’을 남기고 싶다고 했다. 만약 하나 더 남긴다면, 나는 ‘우주의 기본 입자들’을 남겨야 한다고 생각한다. 여기에 우주의 법칙이 다 들어있기 때문”이라고 덧붙였다. 김 교수는 현재 강한 자석을 이용한 액시온 발견을 기다리고 있는 상태다. 이 외에도 광주과학기술원에 5개 연구단을 유치해 물리학·화학 중심의 기초과학 연구활동을 광주에서 이루겠다는 계획이다. 그는 “액시온 발견을 위한 실험 전문 인력이 미국에서 올 것”이라며 “그에 대한 실험으로 액시온의 정체를 밝혀내겠다”고 포부를 밝혔다. NM