암흑물질 Basic 4: 이휘소 박사와 WIMP(윔프)
천재가 예측한 보이지 않는 세계
개요
프리츠 츠비키의 발견, 베라 루빈의 확증, 리사 랜들의 상상력에 이어, 이번 강의에서는 한국이 낳은 세계적 천재 물리학자 이휘소 박사의 업적을 살펴봅니다. 그가 스티븐 와인버그와 함께 제시한 이론은 현재 암흑물질의 가장 유력한 후보인 WIMP(Weakly Interacting Massive Particle)의 이론적 기초가 되었습니다. 42세의 짧은 생애 동안 현대 물리학의 핵심 이론들을 정립한 그의 업적과 현대 암흑물질 연구에 미친 영향을 탐구해보겠습니다.
1. 이휘소 박사: 한국이 낳은 세계적 천재
1.1 격동의 시대에 태어난 천재
이휘소(李輝昭, Benjamin Whisoh Lee, 1935년 1월 1일~1977년 6월 16일)는 일제강점기 조선 경성부 원정(현 서울특별시 용산구 원효로)에서 의사 부부인 이봉춘과 박순희의 3남 1녀 중 맏아들로 태어났습니다. 20세기 후반 입자물리학에서 자발적으로 대칭성이 깨진 게이지 이론의 재규격화 문제 해결에 결정적 역할을 한 인물로 평가받고 있습니다.
어린 시절의 비범함 어렸을 당시 독서를 좋아해서 동네 친구의 집에서 수시로 책을 빌려 보았는데 주로 과학, 만화, 추리 소설, 문학을 읽었다고 합니다. 1941년 7살의 나이로 경성사범 부속 제1국민학교에 입학했는데, 원칙적으로 제1국민학교는 일본인들만을 위한 학교였지만 조선인의 입학이 원천적으로 불가능한 것은 아니어서 이휘소는 시험을 쳐서 입학했습니다.
1.2 물리학을 향한 열정과 미국 유학
서울대 시절의 일화 1952년 서울대학교 공과대학 화학공학과에 수석으로 입학한 이휘소는 대학에서도 전공보다 물리학에 더 관심을 가졌습니다. 미국 물리학자가 쓴 양자역학 원서를 읽다가 잘못된 계산 문제를 발견한 이휘소는 자신의 의견을 적어 저자에게 편지를 썼습니다. 얼마 후 그 물리학자는 "당신의 지적이 옳고 오류를 알려줘서 고맙다"는 답장을 보냈습니다. 이 사건으로 그는 학교 측에 전공을 물리학과로 바꾸고 싶다고 요청했지만, 화학공학과는 공과대학 소속이고 물리학과는 문리과대학 소속이라는 이유로 전과가 불허되었습니다.
미국으로의 여행 1954년 도미하여 오하이오 주의 마이애미 대학에서 물리학 전공으로 유학생활을 시작했습니다. 이때부터 이휘소는 'Benjamin Whisoh Lee'라는 미국 이름을 썼는데, 이것은 이휘소가 대학시절부터 벤저민 프랭클린을 존경해 왔기 때문이었으며, 대개 줄여서 '벤 리'로 불렸습니다. 1956년 최고우등(summa cum laude)으로 학부를 졸업하고, 1958년 피츠버그 대학에서 석사학위를, 1960년 펜실베이니아 대학에서 박사학위를 취득했습니다.
1.3 세계적 물리학자로의 성장
프리프린트의 달인 당시에는 모든 물리학자들이 스탠퍼드 선형 가속기 센터에서 운영하는 스탠퍼드 물리학 정보 검색 시스템에 사본을 보내 등록하고 그 곳에서 발간하는 프리프린트 리스트를 정기적으로 구독하였습니다. 당시 이휘소는 엄청난 분량의 프리프린트 모음집을 가지고 다녔는데, 이를 바탕으로 세계 각국의 석학들을 찾아다니며 교류하고 공동 연구를 수행하며 많은 지식을 쌓았다고 전해집니다.
이는 현재의 인터넷 시대 이전, 물리학계에서 최신 연구 동향을 파악하고 국제적 협력을 이끌어내는 매우 효과적인 방법이었으며, 이휘소의 뛰어난 국제적 네트워킹 능력을 보여주는 사례입니다.
2. WIMP: 암흑물질의 가장 유력한 후보
2.1 WIMP의 정의와 특징
WIMP(Weakly Interacting Massive Particles, 약하게 상호작용하는 무거운 입자)는 암흑물질의 가장 오랫동안 유력하게 연구된 후보입니다. WIMP의 주요 특징은 다음과 같습니다.
물리적 특성
질량이 무겁다 (양성자보다 훨씬 클 수 있음)
중력과 약한 상호작용(weak force)만 하며, 전자기적 상호작용은 하지 않음
따라서 망원경으로 직접 관측이 불가능
초기 우주에서 자연스럽게 만들어지며, 그 양이 현재의 암흑물질 밀도와 우연히 잘 맞아떨어지는 'WIMP miracle'이라는 장점
2.2 표준모형을 넘어서는 이론
WIMP는 입자물리학의 표준모형을 넘어서는 이론(Beyond the Standard Model)에서 자주 등장합니다. 대표적으로 초대칭(Supersymmetry, SUSY) 이론에서 나오는 '중성자(Neutralino)' 같은 입자가 WIMP의 주요 후보로 여겨져 왔습니다.
WIMP의 탐지 방법
직접 탐지: 지하 실험실에서 WIMP와 원자핵의 충돌을 감지
간접 탐지: WIMP 쌍소멸로 생성되는 감마선, 중성미자 등을 관측
가속기 생성: 입자가속기에서 WIMP를 직접 생성하여 관측
3. 1977년 이휘소 논문 - 암흑물질 이론의 핵심
3.1 역사적 논문의 탄생 & 논문의 목적
1977년에 이휘소는 〈Weak Interactions at Very High Energies: the Role of the Higgs Boson Mass〉라는 제목의 논문을 발표하였습니다.
이 논문연구의 목적은
1. 전약(weak + electromagnetic) 통합 이론(Weinberg–Salam 모델)에서 힉스 보손(Higgs boson) 질량의 크기가 고에너지 약한 상호작용에 어떤 영향을 주는지 분석하는 것.
2. 특히 힉스 질량이 커질 때(> 1 TeV) 약한 상호작용이 어떻게 강상호작용처럼 변할 수 있는지를 S-행렬 이론과 부분파 단위성 조건을 통해 탐구하는 것입니다.
(TeV: 테라 전자볼트 (Tera electron Volt)로 에너지 단위입니다. 1 eV는 전자가 1볼트 전위차에서 얻는 에어지고, 1 TeV는 그보다 1조 (10의 12승)배 큰 에너지 입니다. 질량을 에너지 단위로 표현하는 이유는 아인슈타인의 E=mc^2 공식에서 질량이 에너지로 표현될 수 있는데요. 그래서 입자물리에서는 질량을 에너지 단위로 나타낼 수 있습니다. 예를들면 힉스 보손 질량은 약 125 GeV/c^2 (기가전자볼트/광속제곱)입니다. 입자물리학에서는 보통 c=1로 두므로 그냥 125 GeV가 됩니다. 이때 TeV는 그보다 1000배 큰 단위기 때문에 '1 TeV 범위 질량을 가진입자'라고 한다면 힉스 보손보다 10배 무거운 가상의 입자를 의미할 수 있습니다.)
3.2 핵심 결과
3.2.1. 힉스 질량의 상한: 힉스 보손질량 Mh가 약 1 TeV를 넘으면, tree-level(트리수준)의 산란 진폭이 부분파 (unitarity)조건을 위반함. 그래서 약한 상호작용은 고에너지 영역에서 강하게 결합된 이론 (strongly coupled theory)이 됨
3.2.2. 힉스-골드스톤 보손: 고에너지에서 W, Z 보손의 longitudinal(종단) 성분은 실제로 골드스톤 보손처럼 행동. 따라서 고에너지 약한 상호작용의 움직임은 힉스-골드스톤 자기상호작용 이론으로 환원됨.
(* 힉스-골드스톤 보손, W/Z 보손은 따로 다루도록 하겠습니다. 간단히만 얘기하면 힉스-골드스톤 보손은 질량없는 스칼라 입자인 골드스톤 보손이 자발적 대칭 깨짐으로 생겨 W, Z의 종단모드로 흡수됩니다.)
3.2.3. 중요 포인트
가벼운 힉스(light Higgs):질량이 2MW 이하이면 약한 상호작용은 거의 모든 에너지에서 약하게 유지. 힉스는 주로 페르미온(쿼크, 렙톤)으로 붕괴.
무거운 힉스(heavy Higgs): 질량이 2MW 이상이면 W⁺W⁻, ZZ로 붕괴하는 것이 지배적. 힉스 폭(width)이 질량에 가까워져 넓은 공명 상태가 되어, 강상호작용적 현상(벡터 보손 공명, 다중 생성)이 나타날 수 있음
따라서 이 연구는 “힉스 보손이 없거나, 있더라도 질량이 너무 크면, 약한 상호작용이 고에너지에서 강하게 보일 것”이라는 결론을 제시.
(*MW 단위란? W 보손의 질량을 의미, W 보손의 실제 질량은 약 80.4 GeV. 따라서 2MW는 160.8 GeV. 즉 힉스보손 질량이 160GeV 이상이란 뜻. W⁺는 양전하 W보손, W⁻는 음전하 W보손, Z는 중성 게이지 보손(질량 약 91 GeV,
따라서 정리하면 W⁺W⁻는 W보손 입자쌍으로 하나는 W⁺, 다른 하나는 W⁻이란 뜻. ZZ는 중성 Z보손 2개라는 뜻)
3.3 현대적 의미와 한계
실제로 2012년 CERN에서 발견된 힉스는 약 125 GeV → “가벼운 힉스”에 해당.
따라서 약한 상호작용은 고에너지에서도 약하게 유지되고, 이 논문에서 우려한 ‘강한 약력’ 시나리오는 피하게 됨.
하지만 이 논문은 힉스 질량의 이론적 상한 (~1 TeV)을 제시한 역사적으로 중요한 연구.
4. 이휘소 박사의 주요 업적과 현대적 영향
4.1 게이지 이론의 재규격화
혁신적 해결책 헤라르뒤스 엇호프트는 카르제스 여름학교의 이휘소에게서 얻은 아이디어를 이용하여 마르티뉘스 펠트만과 함께 양-밀스 이론의 재규격화에 성공하였고, 이를 1972년 여름에 네덜란드 암스테르담의 입자물리학 국제학술회의에서 발표하였습니다. 하지만 당시 이들의 설계는 일반적인 경우에 모두 적용되지 않았고, 당시 물리학자들이 쉽게 이해하기 힘든 내용이었습니다. 이휘소가 팔을 걷고 나서 이를 알기 쉽게 풀어쓰고 경로적분 형식 등의 다른 설계까지 확장하여 서술하여 그제서야 많은 물리학자들이 이해할 수 있었습니다.
노벨상에 대한 기여 엇호프트와 펠트만은 이러한 공적을 인정받아 1999년에 노벨 물리학상을 수상했지만, 이휘소의 해설과 확장이 없었다면 이들의 업적이 학계에 널리 받아들여지기 어려웠을 것입니다.
4.2 참(Charm) 쿼크 예측
혁명적 예측 1974년에 메리 가이아드, 조너선 로즈너와 함께 발표한 <참쿼크를 찾아서>라는 논문은 참쿼크의 존재를 증명할 수 있는 계기를 마련했습니다. 참쿼크가 발견되기도 이전에 참쿼크의 존재를 가정하고 그 질량 범위를 정리한 것입니다. 실제로 이 논문이 프리프린트로 공개된 얼마 뒤인 그해 11월, 순수하게 참쿼크로 이뤄진 '제이/프시 중간자'가 발견됨에 따라 참쿼크의 존재가 간접적으로 증명됐습니다.
4.3 와인버그-살람 이론의 명명
학계에 미친 영향: 1974년에 이휘소는 영국 런던에서 개최된 제 17회 고에너지 물리학 국제회의에 참가하였습니다. 이 무렵 와인버그의 1967년 논문은 상당히 유명해져서 전약 이론은 일반적으로 '와인버그 이론'이라고 불렸지만, 이 회의에서 이휘소는 전약 이론에 대한 압두스 살람의 공헌을 인정하고 자신의 발표에서 이 이론을 '와인버그-살람 이론'이라 불렀습니다. 이후 학계에서는 이휘소의 명명을 존중하여 와인버그-살람 이론이라는 명칭이 널리 쓰이게 됐고, 이 덕에 압두스 살람은 스티븐 와인버그, 셸던 글래쇼와 함께 1979년 노벨 물리학상을 공동 수상하게 됐습니다.
5. 흥미로운 일화들과 인간적 면모
5.1 조국에 대한 복잡한 감정
유신체제에 대한 비판 1972년 10월에 박정희가 자신의 독재를 위한 유신 헌법을 선포하자 이휘소는 외국인 동료를 대하기가 부끄럽다고 가까운 한국인 친구들에게 자주 말하곤 했습니다. 이는 그가 세계적 물리학자로서의 지위에도 불구하고 조국의 정치 현실에 대해 깊은 우려를 가지고 있었음을 보여줍니다.
그럼에도 불구한 조국 사랑 박정희의 독재 정권이 계속되는 한은 결단코 대한민국에 발을 들이지 않겠다던 이휘소가 어떻게 USAID의 평가위원 위촉을 수락했는지는 분명하지 않습니다. 대한민국 측에서 추천하였다는 이유로 미 국무부가 설득했을 수도 있고, 그래도 최소한 한국의 과학 교육 만큼은 도와주어야 하지 않겠느냐는 주위 동료들의 권유를 받아들였을 수도 있습니다.
5.2 번역자이자 해설자로서의 역할
학계의 소통자 이휘소가 물리학사에서 가장 중요하게 남긴 업적은 일종의 번역자 또는 해설자로서의 역할입니다. 어떤 새로운 업적이 인정되기 위해서는 우선 그 업적 자체가 제대로 이해되고 널리 알려지는 것이 중요합니다. 이휘소는 독창적인 범함수 방법을 도입하여 살람-와인버그 모형의 재규격화에 성공했지만, 여기에 이어 이를 다시 다른 이론물리학자들에게 더 쉽게 이해할 수 있는 연산자곱 정식화로 쉽게 바꾸어 설명하는 논문을 발표했습니다.
6. 현대 암흑물질 연구에 미친 영향
6.1 WIMP 탐색의 이론적 기초
리-와인버그 경계의 현재적 의미 과학자들은 그가 말한 '무거운 중성미자'가 중성미자가 아닌 어떤 새로운 물질일 경우, 그의 예측이 맞아떨어진다는 사실을 발견했습니다. 그 새로운 물질이 바로 암흑물질의 유력한 후보로 거론되는 윔프(WIMP, Weakly Interacting Massive Particle)입니다. 즉 이휘소 박사는 윔프의 개념을 최초로 제기함과 함께, 질량의 우주론적 하계도 리-와인버그 경계로 정리한 셈입니다.
6.2 현재진행형인 WIMP 탐색
전 세계적 노력 현재 전 세계적으로 WIMP를 직접 탐지하려는 노력이 계속되고 있습니다. 미국의 LUX, XENON 실험, 유럽의 EUCLID 실험, 그리고 한국의 COSINE-100 실험 등이 대표적입니다.
한국의 기여 기초과학연구원(IBS)을 중심으로 한국도 암흑물질 탐색에 적극 참여하고 있으며, 이휘소 박사가 제시한 이론적 기반 위에서 실험적 검증을 시도하고 있습니다.
6.3 이론의 한계와 새로운 가능성
Light Dark Matter 연구 Lee-Weinberg bound가 제한하는 2 GeV 이하의 가벼운 암흑물질(Light Dark Matter) 연구도 활발히 진행되고 있습니다. 새로운 상호작용이나 메커니즘을 도입하여 이러한 제한을 우회하려는 시도들이 계속되고 있습니다.
7. 이휘소 박사의 유산과 현대적 평가
7.1 학계의 인정
논문 인용 현황 물리학자로서 본격적인 활동을 시작한 이래 약 20년간 모두 110편의 논문을 발표하였으며, 이 중 77편의 논문이 학술지에 게재됐습니다. 10회 이상 인용된 논문은 이 중 69편에 달하며, 500회 이상 인용된 논문은 모두 8편입니다. 2013년 10월 기준 그의 모든 논문들은 13,400회 이상 인용되었습니다.
노벨상 수상자들의 평가 그가 사망한지 두 달 뒤, 한국 정부는 그에게 국민훈장 동백장을 수여했습니다. 1979년 전약이론에 관한 연구로 노벨 물리학상을 수상한 압두스 살람은 '그의 자리에 내가 있는 것 같아 부끄럽다'는 수상소감을 남겼습니다.
7.2 한국 과학계에 미친 영향
상징적 의미 이휘소는 천재적인 한국인 물리학자의 대명사로 여겨져 왔으며, 한국에서 이론물리학, 특히 입자물리학이 발전하는 데 중요한 상징이 된 것으로 평가됩니다.
후학 양성에 대한 헌신 1974년 서울대는 과학 분야 대학원 육성을 위해 AID(Agency for International Development)에서 사업을 추진했고, 그해 8월 이휘소는 AID 측을 대표하는 물리학 평가위원으로 위촉되어 귀국했습니다. 그는 한 달 동안 머물면서 서울대를 실사하고 대학 발전 방향을 기술한 보고서를 작성했는데, 이는 서울대 이공계 교육이 괄목할 성장을 거듭하는 지침서로 활용됐습니다.
결론: 미완성의 천재가 남긴 완성된 유산
이휘소 박사는 42세의 짧은 생애 동안 현대 물리학의 핵심 이론들을 정립하고, 특히 암흑물질 연구의 이론적 기초를 마련한 위대한 과학자였습니다. 그가 스티븐 와인버그와 함께 제시한 Lee-Weinberg bound는 현재까지도 WIMP 연구의 핵심 이론으로 활용되고 있으며, 전 세계 암흑물질 탐색 실험의 이론적 근거가 되고 있습니다.
그의 업적이 더욱 특별한 이유는 단순히 이론을 제시한 것을 넘어 복잡한 물리학 이론을 다른 과학자들이 이해할 수 있도록 번역하고 해설한 역할에 있습니다. 이는 과학이 개인의 독창성뿐만 아니라 집단적 이해와 발전을 통해 진보한다는 사실을 보여주는 훌륭한 사례입니다.
현재 WIMP 탐색이 예상보다 어려움을 겪고 있는 상황에서, 이휘소 박사가 제시한 이론적 틀은 여전히 유효하며, 새로운 암흑물질 후보를 탐색하는 데에도 중요한 지침을 제공하고 있습니다. 그의 유산은 한국 과학계의 자긍심일 뿐만 아니라, 인류가 우주의 비밀을 탐구해나가는 여정에서 영원히 기억될 이정표가 될 것입니다.
프리츠 츠비키가 발견하고, 베라 루빈이 확증하고, 리사 랜들이 상상력으로 확장한 암흑물질의 비밀. 그 중심에는 한국이 낳은 천재 이휘소 박사의 이론적 통찰이 자리하고 있습니다. 그의 미완성의 생애가 남긴 완성된 이론은 오늘도 전 세계 과학자들을 이끌며 우주의 가장 깊은 비밀을 향해 나아가고 있습니다.
