물질의 질량은 어떻게 만들어질까…고려대서 물리학 국제공동연구 프로젝트 첫걸음

△ 10월 9일 고려대 하나스퀘어에서 ‘J-PARC K10 국제공동연구그룹 제1회 창립총회 및 워크숍’이 개최됐다

물질을 구성하는 가장 기본적인 단위인 ‘쿼크(Quark)’가 어떻게 뭉쳐 질량을 형성하는지를 밝히기 위한 국제공동연구 프로젝트가 한국에서 닻을 올렸다. 고려대학교(총장 김동원)가 10월 9일 고려대 하나스퀘어에서 ‘J-PARC K10 국제공동연구그룹 제1회 창립총회 및 워크숍’이 개최됐다고 밝혔다.

J-PARC K10 국제공동연구그룹은 강입자의 내부 구조와 질량 형성 원리 등 물리학의 난제를 연구하기 위해 구성된 국제 연구 협력체로, 고려대 물리학과 안정근 교수가 일본 오사카대 시로토리 교수와 함께 공동대표를 맡아 이끈다. 이번 행사에는 세계 각국의 이론 및 실험 물리학자 100여 명(현장 80여 명, 온라인 20여 명)이 참석해 향후 연구 방향과 국제 협력 방안을 논의했다.

쿼크는 양성자와 중성자를 이루는 기본 입자로, 쿼크들이 결합해 만들어진 입자를 ‘강입자’라고 한다. 양성자와 중성자의 질량은 이를 구성하는 쿼크 자체의 질량보다 훨씬 큰데, 이는 쿼크 사이에 작용하는 강한상호작용과 관련된 에너지가 입자의 질량을 형성하는 데 중요한 역할을 하기 때문이다. 이러한 강입자의 생성과 붕괴 과정을 이해하는 것은 현대 물리학의 주요 과제로 남아있다. 

*강한상호작용: 자연에 존재하는 네 가지 기본 힘 중 하나로, 쿼크로 양성자와 중성자를 만들고, 다시 한 데 뭉쳐 만든 핵을 안정하게 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

연구그룹은 강한상호작용을 설명하는 이론인 양자색소역학(QCD)을 바탕으로, 에너지 영역에 따라 입자들의 상호작용 특성이 달라지는 영역을 집중 탐구할 계획이다. 강입자의 질량이 형성되는 원리와 쿼크가 독립적으로 존재하지 않고 결합된 상태로 나타나는 ‘쿼크 가둠(Color Confinement)’ 현상의 본질을 규명하고, 기존의 학설을 뛰어넘는 새로운 입자인 이른바 ‘별난 입자(Exotic State)’를 탐색하는 데 앞장선다.

이를 위해 일본의 대형 입자가속기 시설인 J-PARC에 새로운 실험 장치를 설계·구축하고, 기존 대형 가속기로는 접근하기 어려웠던 강입자 반응 영역을 탐구할 계획이다. 다양한 입자를 실험 장치로 보내는 ‘K10 빔라인’과 강입자 반응에서 생성되는 입자들을 정밀하게 분석하는 ‘차세대 초전도 쌍극 전자석 분광계(K-DREAMS)’도 개발한다.

안정근 교수는 “이번 워크숍은 한국 물리학계가 세계적인 기초과학 프로젝트의 주역으로 글로벌 연구 네트워크를 주도하는 계기가 될 것”이라며 “현대 물리학의 패러다임을 바꿀 위대한 여정의 시작에 많은 관심과 기대를 부탁드린다”고 전했다. 

연구그룹의 출범을 축하하기 위해 고려대를 찾은 일본 KEK 입자핵물리연구소장 사이토 교수는 “고에너지 물리학 분야 한일 협력의 훌륭한 본보기로서, J-PARC의 미래를 여는 대형 국제공동연구그룹이 될 것을 기대한다”며 축사를 전했다.