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입자물리 실험을 거쳐 확립된 대통일장이론(grand unified th-eory)은 중력을 제외한 전자기력, 약력, 강력을 통일시켰다. 여기에는 미국 존슨홉킨스 대학에서 뉴트리노를 연구하는 김정욱 박사의 공을 빼놓을 수 없다. 그는 1991년 대통일장이론이 고에너지에서 통일된다는 것을 초대칭이론을 도입해 처음으로 증명했다.

김정욱 박사(63세)는 1958년 서울대를 전체수석으로 졸업해 이승만으로부터 대통령상을 받았다. 이후 미국 인디애나 대학에서 물리학 박사를 취득하고, 펜실베이니아대학 연구원을 거쳐 1966년부터 존스홉킨스 대학 물리학부 교수로 재직해왔다. 그의 전공은 뉴트리노. 그는 1994년 장이론의 리충다오(1957년 노벨물리학상 수상), 우주론의 린데, 핵물리학의 탈미, 게이지이론의 폴리아코프 등 세계적인 학자들과 함께 ‘현대 물리학의 개념’이란 유명한 시리즈에 참여해 뉴트리노에 관한 책을 썼다.

대통일장이론은 어떻게 탄생했는가

전자기력과 약력이 전자기약력이론으로 통일되자, 1970년대부터 물리학자들은 전자기약력이론에 강력을 덧붙이려고 노력했다. 이것이 바로 대통일장이론이다. 대통일장이론은 입자물리는 물론, 우주의 기원을 다루는 우주론과 밀접한 관계를 가지고 있다.

어떤 점에서 대통일장이론이 천체물리와 관련을 맺고 있는가

전자기약력과 강력이 통합되려면 매우 높은 에너지가 필요하다. 그런데 지구 상에서는 이런 고에너지 실험을 할 수 없다. 1974년 하버드대학의 조지아이와 글래쇼가 매우 단순한 대통일장이론을 세웠다. 그런데 여기에는 힘을 전달하는 ‘X입자’가 필요했다. 그런데 이 입자는 너무 무거워 잴 수가 없다. 또 어떤 입자가속기도 그만큼 큰 에너지를 낼 수 없다. 그런 에너지를 가지고 있는 유일한 곳은 초기 우주밖에 없다. 우주나이로 보면 ${10}^{-34}$초에 해당한다. 그러므로 천체물리와 우주론에서 나오는 연구 자료들은 대통일장이론에 크게 기여한다고 할 수 있다. 물론 양성자 붕괴를 측정해 간접적으로 대통일장이론을 확인할 수도 있다.
 

그렇다면 고에너지상태에선 전자기력, 약력, 강력이 통합되는가

그렇지는 않다. 그동안 많은 사람들이 전자기력, 약력, 강력을 고에너지 상태에서 통일하려고 했으나 실패했다(그림1). 내가 기여한 부분은 조지아이와 글래쇼의 통일장이론에 초대칭성을 적용해 세 힘을 통일시킨 것이다(그림2). 빅뱅 이후 ${10}^{-34}$초에는 세가지 힘이 통일된다. 더 나아가 ${10}^{-43}$초에는 중력도 통일된다.
 

현재의 연구 내용을 소개해 주신다면

주요 연구 분야는 뉴트리노다. 뉴트리노는 1930년 파울리에 의해 처음 제기됐다. 파울리는 물질과 에너지 보존에 위배되는 것으로 판단되는 어떤 방사선 실험에서 손실된 에너지를 설명하기 위해 뉴트리노라는 새로운 입자를 가정했다. 그러나 지금까지 67년이 지났지만 뉴트리노의 질량을 모르고 있다. 그동안 뉴트리노의 질량은 ‘0’이라고 가정해 왔다. 그런데 표준모델의 결점을 시정하는 새로운 모델들, 특히 초대칭 통일장이론에 따르면 뉴트리노의 질량이 존재해야 한다. 또 뉴트리노가 진동하려면 질량이 있어야 한다. 이것은 우주의 질량과 밀접한 관계를 가지고 있다. 앞으로의 과제는 뉴트리노의 질량을 밝혀내는 것이다. 이는 결국 우주의 비밀을 알아내는 것과 일맥상통한다.

최근 우주 나이를 젊게 보는 경향이 있는데, 박사의 견해는 무엇인가

많은 사람들이 우주가 빅뱅 이후 균일하고 등방적으로 팽창해 왔다고 생각한다. 그러나 나는 우주가 현재 불균일하다고 생각한다. 우주 나이를 아는 방법은 구상성단의 나이를 재는 방법과 허블 상수를 정하는 방법 등 2가지가 있다. 우주 나이를 많게 보는 학자는 1백57억년(허블상수가 0.42일 때), 적게 보는 학자는 83억년(허블상수가 0.8일 때)이다. 그러나 우주를 불균일하다고 할 때 우주 나이를 대략 1백30억년-1백40억년 정도로 보고 있다.
 

통일장이론과 관련해 박사의 연구 계획을 소개해 달라

뉴트리노의 질량은 태양에서 나오는 뉴트리노를 관측하는 일본의 슈퍼 가미오칸데(원래 양성자 검출기로 시작했음), 이탈리아의 GALLEX, 캐나다의 SNO와 같은 검출장치들에 의해 곧 측정이 되리라고 믿는다. 일단 뉴트리노의 질량이 알려지면 통일장이론의 상세한 부분을 알아낼 수 있다. 초대칭성을 포함한 통일장이론도 유일한 것은 아니다. 나는 어느 모델이 과연 측정된 뉴트리노 질량을 설명할 수 있느냐는 것을 연구할 계획이며, 이미 연구를 시작했다.