서울대 격자게이지이론연구단, 물리학계가 주목하는 이유?

'입자물리학'이란 세상을 구성하는 가장 기본적인 입자를 다루는 학문을 말한다. 물질을 구성하고 있는 입자가 무엇이며 입자들 사이의 상호작용을 밝혀 자연 현상의 본질에 대한 탐구를 한다.

최근 입자물리학계에서 서울대학교 격자게이지이론연구단이 화제다. 우리가 알고 있는 전자기력에 음전하와 양전하가 있듯 물질을 이루는 최소단위라고 알려진 쿼크 입자는 3가지 다른 색소 전하가 있다. 이들이 서로 상호작용해 힘이 결정되는데 이 이론이 '양자색소역학'이다.

양자색소역학은 자연에 존재하는 강력현상을 기술하는 양자이론이다. 낮은 에너지에서 일어나는 강력현상은 기존의 손으로 푸는 방법으로는 현상을 규명하기 어렵다. 따라서 강입자의 상호작용과 그 행렬원소를 이해하기 위한 비섭동적인 연구방법이 필요하다. 현재까지 알려진 가장 정확한 방법이 '격자게이지이론'이다.

격자게이지이론은 전산장비를 사용해 정밀하게 계산하는 방식이다. 사람의 손으로는 쿼크나 글루온 등의 입자간 힘을 표준모형으로 계산할 수 없기 때문에 서울대학교 격자게이지이론연구단에서는 양자색소역학 이론을 컴퓨터로 변환해 계산할 수 있게 해주는 연구를 하고 있다.

현재 격자게이지이론연구단에서는 1초에 250조번 사칙연산을 하는 컴퓨터 장비를 통해 표준모형을 해석하고 있으며 오차율은 5%정도를 달성하고 있다.

이원종 서울대학교 격자게이지이론연구단장은 "이미 주목할 만한 성과들이 나오고 있다"며 "오차율이 점점 줄어들면 표준모형이 맞는지 명확히 증명할 수 있다"고 전했다.

만약 격자게이지이론연구단에서 표준모형의 오류를 찾아낸다면 표준모형을 넘어선 새로운 이론 '초표준모형'이 필요하다는 결정적 단서가 될 수 있다. 현재까지는 중성미자의 질량만이 표준모형의 오류로 알려졌다.

실제로 연구단이 직접 계산한 결과가 반영된 값과 FNAL/MILC 연구단에서 계산된 결과를 사용하여 표준모형으로부터 Kaon입자의 CP Violation 상수를 직접 계산했을 때, 실험값과 비교하여 표준편차의 3.6배가 차이가 났다. 이 차이는 표준모형의 가설 중 하나 이상이 붕괴될 가능성을 제시하는 것으로, 국제적으로 큰 파장이 예상된다. 격자게이지이론연구단이 주목받는 이유 중 하나다.

또한 표준모형이 붕괴된다면 이를 대체할 초표준모형을 찾기 위한 새로운 물리분야 탄생 가능성이 높아 물리학계에서는 상당한 파급효과가 예상된다.

한편 서울대 격자게이지이론연구단을 이끄는 이원종 단장은 국내 입자물리학 발전의 중추적 역할을 담당하는 것으로 유명하다.

이 단장은 "대규모 GPU를 병렬 연결해 과학 계산에 사용하는 연구가 활발히 이뤄진다면 국내 슈퍼컴퓨터 전산 능력을 한 단계 높이는 계기가 될 수 있다"며 "향후에는 GPU 응용 프로그램 개발에 필요한 원천기술을 확보할 수도 있다"며 기술의 사회적 보급을 강조했다.