우리나라의 자랑인 이휘소박사가 불행한 교통사고로 돌아가신 것도 벌써 40년의 세월이 흘렀다. 세월이 유수와 같다는 말을 실감케 한다.

그를 기념하는 Benjamin Lee memorial conference (이휘소 기념학회)가 1978년 9월 1일~5일 동안 미국 페르미연구소에서 열렸다. 이때 처음으로 와인버그(S. Weinberg)와 윌첵(F. Wilczek)이 엑시온(Axion)이란 소립자의 도입을 강조했다. 와인버그와 윌첵은 이미 노벨 물리학상을 받은 유명 인사였다. 세탁제로서 유명한 “Axon”이란 브랜드의 이름을 빌려서 모든 문제를 깨끗이 세탁하듯이 합리적으로 해결한다는에서 이와 유사하게 붙인 이름인 것 같다.물리학자들은 새로운 문제에 부닥치거나 문제의 해결을 위하여 노력할 때 대칭성(symmetry)을 하나의 원칙으로 삼고 이에 따라서 문제의 해법을 이끌어 낸다. 우선 대칭성이 무엇인지부터 좀 설명한다면 이렇다. 예를 들어서 구대칭성(球對稱性)이 있다고 하면 그 문제를 어느 각도에서 보더라도 변함이 없다는 말이 된다. 물리체계에 구대칭성이 있으면 구의 중심을 지나가는 축을 정하여 돌려도 변하지 않기 때문에 돌려도 그 차이를 느끼지 못한다. 따라서 구대칭성이 있으면 도는 속도 즉 각속도가 보존되게 된다.

물리학자들은 새로운 이론을 이끌어 낼 때 대칭성을 지침으로 삼는다. 항해하는 선박이 등대불을 길잡이로 하듯이 물리학자들은 대칭성을 그 길잡이로 삼는다. 뉴턴은 갈릴레이의 피사의 사탑의 실험에서 무거운 쇠뭉치나 그보다 휠씬 가벼운 나무조각이 함께 떨어지는 것을 보고 모든 물체는 자기 질량에 비례하는 중력을 받기에 중력가속도는 일정하다는 것을 깨닫고 뉴턴의 중력이론을 탄생시켰다.

‘보이지 않는 엑시온’이 발견 된다면 노벨상 후보 

이와같이 새로운 대칭성은 무엇인가 새로운 물리학을 탄생시킨다. 이러한 대칭성을 따라서 와인버그 – 살렘 – 그라샤우 (Weinberg – Salam – Glashow)는 소위 말하는 표준모형을 만들어 노벨상을 받은 바 있다. 이 표준모형은 40년의 세월이 흐르면서 온갖 실험을 거쳐서 검증했으나 아직까지 아무런 모순점이 없다. 그런데 표준모형을 만들어 낸 대칭선 이외에도 페체이 – 퀴인(Peccei –Quinn)이 만들어 낸 대칭성이 있다.

이 대칭성을 표준모형과 접합하려면 엑시온(Axion)이란 새로운 형태의 가벼운 소립자가 있어야 한다는 것이 와인버그와 윌첵의 주장이었다. 이 엑시온이 붕괴하여 두 개의 광량자가 된다는 것이 그들의 주장이었다.그러나 그들이 말한 이론이 맞다면 두 개의 광량자로 붕괴하는 엑시온이 보여야 하는데 그렇지 못하였다.그들의 이론에 의하면 ‘엑시온’이 두 개의 광량자로 붕괴하는 에너지 스케일은 전약작용(Electro –Weak interaction)정도의 에너지여야 하므로 베타붕괴가 일어나는 에너지 정도에서 보였어야 하는데 실험 물리학자들이 아무리 찾아도 없으니 그들의 이론은 수정이 필요했다.

이때 젊은 박사후 과정에 있었던 김진의 박사(현재 광주과기원 교수)가 보이지 않는 엑시온 이론을 들고 나왔다. 그의 생각에 따르면 엑시온과 두 개의 광량자 사이의 결합 상수는 전약작용 에너지의 크기가 아니라 그 보다는 훨씬 작아서 그 당시의 검출기에는 검출될 수 없는 ‘보이지 않는 엑시온 이론’ (Invisible Axion Theory)을 내세운 것이다. 그의 ‘보이지 않는 엑시온’은 아직은 검출되지 않고 있다.

그러나 검출되지 않고 있더라도 그 존재 자체가 물리학의 큰 변화를 예고하고 있다. 요즈음 물리학은 폭 넓은 발전을 하고 있다. 그 중의 하나가 ‘위상절연체’(Topological Insulator)를 연구하는 분야로 나타나고 있다. 독자들 가운데서는 위상수학이란 말을 들어 보지도 못한 분들도 있을 것 같아서 설명하고 넘어가겠다.

그림에서 보시다시피 커피컵을 부수지 않고 그 표면을 변화시키면 도넛이 될 수 있다. 딱딱한 사기로 구운 컵이라고 생각하지 말고 이를 진흙으로 꾸민 컵이라고 생각하면 조심스럽게 변형하면 도넛이 된다. 위상 기하학에서는 ‘도넛’과 ‘컵’은 같다고 분류된다. 즉 구멍이 하나만 있는 모든 대상은 위상기하로 보면 같은 대상이다. 이런 뜻에서 사람은 입에서 항문까지 연결되어 뚫어져 있으므로 사람은 위상기하의 입장에서 보면 컵이나 도넛과 같다.

이런 위상 때문에 생기는 절연체는 보통 물질과는 다른 점을 가지고 있다. 예를 들어 구리로 된 철사에서는 전류가 구리선을 따라 속에서 흐르는데 위상절연체인 경우 그 표면에서만 흐르는 것이 보통 전류와는 다르다. 그런데 엑시온에 의한 전류는 위상절연체 표면 경계에서 흐르고 이를 포함한 전자기 방전식은 보통(고전) 막스웰방정식과는 다르다.(그림 참조)

이런 차이 때문에 엑시온으로 파생되는 위상절연체의 표면에서의 전기의 분포는 다르게 나타날 것이고 그 예측을 현재 포항공대에 석좌교수로 있는 임지순 교수(전 서울대 교수)가 시뮬레이션으로 만들어 낸 분포를 논문으로 발표했다.(그림 참조)

그의 추측에 의하면 경계면에서 나타나는 자장의 크기는 17 밀리가우스(m Gauss)정도일 것이라 예상했다. 김진의 교수의 발상인 이 ‘보이지 않는 엑시온’은 유력한 암흑물질의 후보로도 각광을 받고 있다. 유럽 제네바에 있는 LHC 가속기에서 발견될 수도 있다고 기대해본다. 그렇게 된다면 노벨물리학상의 강력한 후보자가 되리라는 기대가 따른다.

전 세계에서 20개 이상의 국가에서 노벨과학상을 배출했는데 경제 규모에서는 7위인 우리나라는 아직도 과학분야의 노벨상을 받은 사람이 없다. 김진의 교수가 그 수상자가 되기를 빌면서 기대해 본다.