서울대학교 격자게이지이론연구단 ‘이원종 단장’
뛰어난 성과로 ‘격자게이지이론 연구’의 ‘한 획’을 그어!
서울대학교 격자게이지이론연구단 ‘이원종 단장’
전자기력에 ‘음전하’와 ‘양전하’가 있듯이 물질을 이루는 최소단위라고 여겨지는 ‘쿼크 입자’는 3가지의 다른 ‘색소 전하’를 가지고 있다. 이들이 서로 상호작용함으로써 힘이 결정된다고 알려져 있는데, 이 이론이 지난 1973년에 발표된 ‘양자색소역학(QCD)’이다. 이를 계산하기 위해서는 엄청난 빠르기의 슈퍼컴퓨터를 필요로 하는데, 격자게이지이론은 기존의 섭동이론으로 풀 수 없는 방정식을 슈퍼컴퓨터를 사용하여 계산하게 해주는 양자장이론의 한 방법이다. 지난 2009년에 창의연구과제에 선정되면서, 격자게이지이론을 연구해오고 있는 ‘서울대학교 격자게이지이론연구단(단장: 이원종)’이 화제를 모으고 있다.
서울대학교 격자게이지이론연구단(lgt.snu.ac.kr, 이하 ‘격자게이지이론연구단’)은 최근 격자게이지이론을 바탕으로 기존에 손으로 계산할 수 없었던 물리량을 계산하여, 괄목할 만한 연구결과를 도출하였다. 1초에 250조번 사칙연산을 하는 컴퓨터 장비를 가지고 표준모형을 해석해오고 있는데, 오차율 5% 정도의 주목할 만한 연구결과들이 나오는 중이다. 이에 격자게이지이론연구단의 이원종 단장은 “오차율이 점점 줄어들면 표준모형이 맞는지 명확하게 증명할 수 있다”며, “표준모형의 모순을 발견한 경우는 중성미자의 질량밖에 없지만, 앞으로 다른 오류들을 찾아낸다면 표준모형을 넘어선 새로운 이론인, ‘초표준모형’이 필요하다는 결정적인 단서를 제공할 수 있다”고 설명했다.
양자색소역학(Quantum Chromodynamics, QCD)은 자연에 존재하는 강력현상을 기술하는 양자이론이다. 낮은 에너지에서 일어나는 강력현상은 기존의 해석적으로 손으로 푸는 방법으로는 그 현상을 규명할 수 없다. 그래서 강입자(Hadron)의 상호작용과 그 행렬원소(weak matrix elements)를 이해하기 위해서는 비섭동적인 연구 방법이 필요하다. 이에 현재까지 알려진 가장 정확한 방법이 ‘격자게이지이론(Lattice gauge theory)’이다.
이원종 단장은 “직접 계산한 결과가 반영된 값과 FNAL/MILC 연구단에서 계산된 결과를 사용하여 표준모형으로부터 직접 계산하였다”며, “그 결과가 실험값과 비교하여 표준편차의 3.6배의 차이가 났고, 이 차이는 표준모형의 기본 가설 중 하나 이상이 붕괴될 가능성을 제시하기 때문에 국제적으로도 큰 주목을 받을 만한 결과”라고 밝혔다. 만약 표준모형이 붕괴된다면 이를 대체할 초표준모형을 찾기 위한 ‘새로운 물리분야’ 탄생 가능성이 높아, 물리학계에 상당한 파급효과를 가져올 것으로 기대를 모으고 있다.
서울대학교 격자게이지이론연구단을 이끌고 있는 이원종 단장은 서울대학교 전자공학과에 진학했다. 이후 미국 프린스턴대학교에서 양자역학이나 상대론적 양자역학, 양자장론 등 물질의 최소 단위와 관련된 입자물리를 수학했다. 그리고 31세에 입자물리학 연구로 노벨물리학상을 받은 전설적인 물리학자인 ‘청다오 리’를 소개받아, 그가 있는 콜롬비아대학교로 옮겨 본격적으로 입자물리를 공부했다. 그리고 IBM에서 박사후연구원을 마친 뒤 미국국립과학원(Los Alamos National Lab)에서 교수를 역임했다.
이후 이원종 단장은 지난 2001년에 한국으로 귀국했는데, 당시만 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 상황에서 ‘미국 DOE의 사이덱 프로그램’에 지원한 과제가 ‘A등급’을 받으며 미국의 슈퍼컴퓨터를 본격적으로 사용하기 시작했고, 지난 2008년부터 2010년까지 ‘A등급’을 유지하며 안정적인 연구비를 지원받아 연구를 수행하며 오늘날에 이르렀다.
국내 입자물리학 발전의 중추적 역할을 담당하고 있는 이원종 단장은 “대규모로 GPU를 병렬 연결해 과학 계산에 사용하는 연구가 활발히 이뤄진다면, 국내 슈퍼컴퓨터 ‘전산 능력’을 한 단계 높이고 향후 ‘GPU 응용 프로그램 개발’에 필요한 원천기술을 확보하는 계기도 될 수 있다”며, “높은 성능의 전산능력을 필요로 하는 과학, 공학 뿐 아니라, 사회 각 분야에 이 기술이 보급된다면 사회 전반에 지대한 파급효과를 가져올 수 있을 것”이라고 전망했다.
그러면서 “저희 격자게이지이론연구단은 연구결과를 다른 연구자들도 동의하고 받아들일 수 있을 만큼의 충분한 자료를 공개하고, 정직하게 연구를 수행하여 지금까지 국제적인 신뢰를 쌓아올 수 있었다”며, “현재 계산하고 있는 중성 Kaon 입자의 CP Violation 크기를 더욱 정밀하게 계산하여 현재 실험치와 차이가 ‘3.6시그마(표준편차의 3.6배)’까지 도출했는데, 이 차이를 5.0시그마 이상이 된다는 것을 증명하고 싶다”고 포부를 전했다. 이 연구는 매우 높은 난이도의 ‘정밀한 계산’을 필요로 하는데, 격자게이지이론연구단은 이런 연구목표를 향해 오늘도 최선을 다해오고 있다.