자연과학대학 학생기자단 자:몽 6기 | 민다연

소속: 물리천문학부
연구분야: 핵·입자 물리와 우주론
E-mail: jhchang056@snu.ac.kr
Tel: 02-880-6597 (OFFICE)
  

   올해 3월에 물리천문학부에 부임하신 장재혁 교수님은 핵·입자 물리와 우주론을 연구하고 계시는 이론 물리학자이다. 핵·입자 물리와 우주론은 미시적인 입자 연구를 통해 거시적인 우주의 본질을 이해하기 위해 노력하는 학문이다. 미시와 거시라는 상반되어 보이는 세상을 견고한 이론을 통해 연결하는 장재혁 교수님과의 인터뷰를 통해 진정한 이론가의 삶을 알아보자.
  

장재혁 교수님과 관정도서관이 보이는 교수님의 연구실 (사진 = 민다연 기자)
  
  

1. 교수님에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

   저는 암흑 물질을 비롯해서 보이지 않는 입자들을 연구하고 있는, 이번에 서울대학교에 부임하게 된 장재혁이라고 합니다.
 

2. 서울대학교에 부임하신 소감이 궁금합니다.

   훌륭한 학교에 부임하게 되어 좋은 학생들과 연구할 기회가 많을 것 같다는 점이 가장 기대됩니다. 그리고 주변 교수님들께서도 좋은 후학을 길러내는 것이 중요한 역할이라고 말씀해 주셔서, 그 부분에 대한 책임감도 느끼고 있습니다.
  

3. 교수님의 연구 분야인 핵·입자 물리와 우주론에 대해 설명 부탁드립니다.

   제가 연구하고 있는 분야는 입자 현상론이고, 특히 암흑 물질에 대한 연구를 많이 하고 있습니다. 과거에는 암흑 물질의 존재를 부정하고 관측을 설명하기 위해 수정 뉴턴 역학과 같은 새로운 이론을 도입하려는 시도가 있었어요. 그러나 암흑 물질의 존재에 대한 점점 더 많은 증거들이 나오면서 수정 뉴턴 역학과 같은 이론들은 많이 힘을 잃었고, 현재는 암흑 물질을 부정하는 사람이 많지 않아요.

   암흑 물질과 같이, 보이지 않는 입자가 존재한다는 것을 알게 되었으니 입자 물리학자로서 이런 입자들의 성질을 밝히는 것이 저의 연구 목적입니다. 예를 들어, 입자가 어떤 질량을 가졌는지, 이미 알고 있는 입자들과 어떻게 상호작용을 하고 있는지에 대해서 주로 연구를 하고 있어요.
  

지하 약 1500m 깊이의 옛 금광 부지에 설립된 the Sanford Underground Research Facility(SURF)에 방문한 장재혁 교수님. 이곳에서 암흑물질의 강력한 후보인 WIMP를 찾는 검출기 중 세계 최고의 감도를 가진 LUX-ZEPLIN(LZ) 실험이 진행되고 있다. (사진 = 장재혁 교수님 제공)
  
  

   과거에는 입자 충돌기에서 새로운 입자들이 많이 나왔어요. 하지만 현재 입자 충돌기는 최대 에너지에 한계가 있고, 더 큰 에너지를 가할 수 있는 새로운 입자 충돌기를 만들기 위해서는 천문학적인 돈이 들어가서 당분간은 새로운 입자 충돌기가 건설되기 어려운 상황이에요. 그러나 우주에서는 여전히 많은 관측 데이터들이 쏟아지고 있어요. 그래서 저는 우주론 등의 천체 물리학적 관점에서 새로운 입자들을 볼 수 있는 방법에 대해서 주로 연구하고 있어요.

* 입자 현상론(Particle Phenomenology): 표준 모형 등 기초 이론을 바탕으로 입자 충돌기 실험에서 관측 가능한 현상을 모델링하고 예측하는 이론 물리학의 한 분야이다. 추상적인 이론과 실제 실험을 연결하는 다리 역할을 한다.
  

3.1. 현재 교수님께서는 관측 자료를 통해 주로 연구하시는 것인가요?

   보이지 않는 입자인 암흑 섹터 입자들을 어떻게 관측할 수 있는지에 대해 주로 연구하는데, 이러한 입자들을 볼 수 있는 방법에 대해 새로운 아이디어를 제안하기도 하고, 관측 자료 분석을 통해 이러한 입자들이 우리가 알고 있는 현상에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지 연구하기도 합니다.

* 암흑 섹터 입자(Dark Sector Particles): 암흑 물질을 포함하여, 우리가 알고 있는 상호작용(전자기력, 강력, 약력)으로는 우리가 아는 입자와 상호작용하지 않는 입자들을 통칭한다. 다만, 이러한 입자들이 우리가 아는 입자들과 연결될 수 있는 매개 역할을 하는 '포탈(portal)'이 존재할 수 있으며, 이를 통해 암흑 섹터 입자를 탐색할 수 있다.
  

3.2. 교수님의 연구 분야가 천문학과도 밀접한 관련이 있는데 천문학 전공과의 공동 연구도 진행하나요?

   네, 실제로도 천문학과 교수님들과 일을 하고 있습니다. 서울대학교에 천문학과 교수님들이 많이 계시는 만큼 앞으로 천문학과 교수님들과의 공동 연구 또한 상당히 기대를 하고 있습니다.
  

4. 교수님께서 해당 분야를 공부하시게 된 계기는 무엇인가요?

   물리를 좋아하는 사람들이 대체로 외우는 것보다 원리를 많이 추구하는 편이잖아요. 저도 마찬가지의 성향이라서 점점 더 기본 원리를 찾아가게 되었어요. 최종적으로 도달한 것이 우주의 기본 원리였고, 우주를 구성하고 있는 기본 입자는 무엇일까라는 질문을 하게 되었어요. 현재 우리가 알고 있는 우주는 표준 모형이라는 이론으로 굉장히 잘 기술되는데, 처음에는 이 표준 모형에 대해서 관심이 많았어요. 그러나 표준 모형은 이미 잘 정립되어 있고 많이 연구된 이론이라, 연구 자체는 기술적인 측면이 많아요.

   표준 모형으로는 설명되지 않는 암흑 물질이나 우리가 알지 못하는 현상들을 설명하는 이론을 Beyond the Standard Model, BSM이라고 불러요. 표준 모형 이외의 것들을 연구하는 쪽은 밝혀진 것이 많이 없어서 기술적인 디테일보다는, 굉장히 창의적인 아이디어가 중요해요. 연구를 직접 해보니 이러한 아이디어를 생각해 내는 것이 저한테는 훨씬 잘 맞았어요. 창의적으로 생각을 하고 어떻게 하면 우리가 모르는 입자들을 볼 수 있을지 생각하는 것이 굉장히 재미있어서 이쪽으로 진로를 정하게 되었습니다.

* 표준 모형: 쿼크(6종), 렙톤(6종) 등 12개 기본 입자와 힘을 매개하는 게이지 입자(4종), 질량을 부여하는 힉스 입자(1종)로 우주의 물질과 기본 상호작용(강력, 약력, 전자기력)을 설명하는 이론이다.
  

4.1. 그러면 방금 말씀해주신 내용에 관하여 우리가 모르는 입자를 어떻게 하면 볼 수 있을지에 대한 창의적인 생각 하나만 들려주실 수 있나요?

   우리가 모르는 입자라고 하지만, 이러한 입자들에 대한 모델은 이미 있어요. 즉, 입자의 상호 작용에 따라 얻을 수 있는 결과를 도출하는 모델이 있어요. 그 모델에 따라서 우리가 모르는 입자들이 우리가 아는 입자들과 어떻게 상호작용을 할 수 있는지 계산할 수 있어요. 그렇지만 우리가 모르는 입자들이 우리가 아는 입자들과의 상호작용이 보통 굉장히 약하다는 문제가 있어요.

   그래서 어떻게 하면 볼 수 있을까에 대한 생각들을 많이 해봐야 돼요. 예를 들어, 별이 죽으면서 만들어지는 블랙홀은 우리가 이미 잘 알고 있는데, 이와는 다르게 우주 초기에 만들어져서 매우 작은 질량을 가지고 있을 수 있는 원시 블랙홀이 존재할 수도 있어요. 모든 블랙홀은 호킹복사를 통해서 입자들을 방출하는데 질량이 작은 블랙홀일수록 더 많은 입자들을 방출해요.

   호킹복사는 중력적인 상호작용이기 때문에 만약 우리가 모르는 입자들이 존재한다면 호킹복사를 통해 볼 수 없는 입자들 또한 방출되어야 해요. 즉, 우리가 볼 수 없는 입자들이 존재한다면 우리가 알고 있는 입자들만 존재했을 때와 비교해서 블랙홀이 호킹복사를 통해 더 빨리 증발하게 돼요.

   원시 블랙홀은 질량이 훨씬 작을 수 있기 때문에 이런 효과가 두드러지게 나타나고, 그래서 나중에 원시 블랙홀을 관측하게 된다면 우리가 모르는 입자의 존재를 밝힐 수 있어요. 이러한 생각을 바탕으로 계산을 하고 논문을 쓰고 있는 것이 현재 하고 있는 연구 중 하나예요.

* 호킹 복사: 블랙홀이 양자 효과로 인해 사건의 지평선 근처에서 입자를 방출하며 에너지를 잃고 서서히 증발한다는 이론이다.
  

4.2. 그렇다면 이론적으로 예측한 대상이 관측되어야지만 그 존재가 입증되는 것인가요?

   네, 원시 블랙홀은 이론적으로만 예측된 블랙홀이기 때문에 실제로 관측을 통해 발견되어야 해요. 그리고 관측된 블랙홀의 스펙트럼으로 원시 블랙홀의 진화 역사를 밝혀내고, 이를 통해 우리가 모르는 입자들의 존재를 알 수 있어요.
  

4.3. 아까 말씀해주신 원시 블랙홀처럼 이론적으로만 존재하는 대상을 다룰 때 연구자로서 존재성에 대한 확신을 가질 수 없다고 생각하는데, 교수님께서는 이 부분에 대해 어떻게 생각하시나요?

   제가 대학원생 때 중성미자 실험에 대해 연구하시는 교수님이랑 이야기를 한 적이 있어요. 중성미자의 성질은 아직 밝혀지지 않은 것들이 있는데, 제가 그 교수님께 명확히 밝혀지지 않은 성질 중에 어떤 것이 맞는 것 같냐고 물었어요. 전문 용어로 다시 말하자면 중성미자가 디랙 페르미온(Dirac fermion)과 마요라나 페르미온(Majorana fermion) 중에 어떤 것이라고 생각하시는지 여쭤본 적이 있어요. 그 교수님은 실험가로서 예측은 하지 않고 단지 측정할 뿐이라고만 이야기하셨어요.

   그 후에 중성미자를 이론적으로 연구하시는 다른 교수님께 똑같은 질문을 했어요. 그 교수님은 한쪽이 옳다고 생각하고 그쪽으로 연구를 한다고 하셨어요. 

   저는 그때 이론하시는 분들과 실험하시는 분들의 차이를 느꼈어요. 이론을 하는 사람이라면 자신의 이론을 믿는 자세가 필요하다고 생각해요. 그래야 더 동기부여가 되고, 더 열심히 연구를 할 수 있고, 더 자신 있게 자신의 연구를 발표할 수 있다고 생각해요.
  

4.4. 교수님께서도 이론가로서 갖고 계신 확신이 있으신가요?

   네 그렇죠. 물론 제 이론은 언제든지 틀릴 수 있다고 생각해요. 당연히 원시 블랙홀 자체가 존재하지 않을 수도 있고, 존재하더라도 우리가 모르는 입자들이 없을 수도 있어요. 그렇지만 언젠가는 원시 블랙홀이 발견될 것이고 언젠가는 그런 입자들이 나올 것이라고 기대해요. 이러한 기대를 갖고 연구를 해야 스스로 더 동기부여가 될 수 있어요. 
  

5. 연구를 진행하시는 중에 어려움을 극복하시는 교수님만의 방법이 있으신가요?

   사실 연구라는 것도 그렇고, 사람이 하는 모든 것에 어려움이 없을 수는 없잖아요. 연구를 하다 보면 당연히 어려움이 있을 수 있지만, 그 어려움 자체를 극복한다기보다는 평소에 어려움이 있을 때 대처하는 자세가 중요한 것 같아요. 그래서 항상 자신만의 스트레스 해소법을 가지고 있는 것이 굉장히 중요하다고 생각해요.

   취미라든지, 운동이라든지, 어떤 사람에게는 연애일 수도 있겠고, 이렇게 연구나 공부 이외에 자신만의 스트레스 해소법을 가지고 있어야 어떤 것을 하더라도 장기간의 관점에서 잘 해낼 수 있을 거예요. 연구라는 것도 긴 호흡으로 마주해야 되니까요. 
 

6. 교수님과 비슷한 분야를 연구하기를 희망하는 학생들에게 조언 부탁드립니다.

   제 분야가 물리하는 학생들이 많이 하고 싶어 하는 분야이긴 하지만, 현재 입자 충돌기가 새롭게 만들어지는 것도 아니고, 새로운 입자에 대한 증거가 나오고 있지 않아서 현재는 그렇게 미래가 밝은 분야가 아니에요. 하지만 미래는 어떻게 될지 모르기 때문에 자신이 충분히 좋아하는 분야라면 도전해 보라고 얘기하고 싶어요.

   제가 유튜브에서 본 것 중 기억에 남는 내용이 있어요. 정승제 선생님이 안성재 셰프님에게 결혼에 대해서 물어본 적이 있었는데, 안성재 셰프님이 결혼은 행복하려고 하는 것이 아니라 이 사람과 함께라면 행복하지 않아도 괜찮을 때 하는 것이라고 대답을 하셨거든요.

   저는 이 말이 매우 인상적이었는데 자신의 분야를 고를 때도 적용된다고 생각해요. 미래에 대한 걱정이 많더라도 이 분야를 하는 것만으로 충분히 후회가 없다면 언제든지 도전을 해도 괜찮을 거라고 생각해요.
  

7. 교수님의 학부생과 대학원생 때의 이야기가 궁금합니다.

   지금 약력에는 학부가 뉴욕주립대 스토니브룩으로 나와 있기는 하지만 처음에는 한국의 다른 대학을 다녔는데, 그때는 학업보다는 동아리 활동을 매우 열심히 했어요. 테니스 동아리였는데, 제 대학 인생을 바쳐서 동아리 활동을 했어요. 그 시절에는 무엇보다 동아리가 더 중요했었죠. 

   저는 이렇게 동아리 활동을 열심히 하는 과정에서 배운 것이 매우 많았다고 생각해요. 학업에 직접적으로 도움이 되지는 않았지만 동기, 선배, 후배들과 함께 동아리 일을 하는 과정에서 인간관계에 대해 매우 많이 배울 수 있었어요. 

   현재의 연구는 혼자서 하기가 쉽지 않아요. 그래서 공동 연구를 하는데 결국 인간관계가 중요하거든요. 사람들과의 관계를 어떻게 이끌어 나갈지, 그에 관하여 문제가 생겼을 때 어떻게 대처해야 하는지에 대한 것을 동아리 활동하면서 굉장히 많이 배웠어요. 그리고 동아리에서 소중한 친구도 많이 만났고, 아내도 동아리에서 만났기 때문에 저는 학부생 때 이렇게 열심히 동아리를 한 것을 매우 잘했다고 생각해요.

   그러다가 중간에 유학을 결심했고, 미국에 간 다음부터는 나름 공부를 열심히 했어요. 학부 졸업 후에는 대학원도 갔고, 마침 대학원에 한국인 동기들이 몇 명 있었어요. 저를 포함해서 4명이 있었는데, 함께 한 집을 빌려서 살면서 밤새 숙제를 하는 등 같이 공부도 열심히 하고 시험 끝난 날은 즐겁게 놀며 서로 의지하면서 지냈어요. 다행히 다들 지금까지 물리를 잘 하고 있어요. 이렇게 대학원 때도 잘 지냈던 기억이 있네요. 
  

7.1. 유학생활 중에 어려운 점은 없으셨나요?

   아무래도 영어를 잘하지 못했기 때문에 언어의 장벽이 많이 크긴 했죠. 그러나 언어라는 것도 결국 사람 간의 관계거든요. 그래서 사람한테 진심으로 대해주고 서로 통하는 게 있다면 언어가 완벽하지 않아도 충분히 좋은 친구가 될 수 있고 같이 무언가를 할 수 있어요. 사람 간의 관계에서 조금 더 진지해지고 진심으로 임하면 상대방도 마음을 연다는 것을 유학생활에서 배웠어요. 그리고 세상을 보는 눈이 많이 넓어질 수 있었기 때문에, 꼭 유학이 아니더라도 해외 경험을 많이 해보는 것을 굉장히 추천해요.
   

SURF가 주최하는 학회 참여 기간 동안 지하 1,500 m 실험실에 견학 갔을 당시, 같은 분야 동료들과 장재혁 교수님의 단체 사진. (사진 = 장재혁 교수님 제공)
  
  

8. 교수님의 향후 계획은 어떻게 되시나요?

   앞서 말했듯 좋은 후학을 길러내는 것에 대한 책임감을 느끼고 있는데, 이를 잘 해내는 것이 하나의 목표예요. 제가 미국에 있는 동안 저희 분야에 정말 똑똑한 한국 학생들이 많다고 생각을 했는데, 그에 비해서 한국에서 학위를 하고 미국이나 유럽으로 박사후연구원을 가는 수는 다른 나라들에 비해 적어요. 이러한 현상의 이유가 해외 연구진과 소통할 수 있는 기회가 부족했기 때문일 수도 있다고 생각해요. 그래서 저는 해외 공동 연구나 해외 학회 참여 등의 기회를 최대한 많이 만들어서 해외로 진출할 수 있는 토대를 마련하고 싶어요. 
  

9. 자연과학도의 길을 계속 갈지에 대해 고민하는 학생들을 위한 조언 부탁드립니다.

   미래는 어떻게 될지 모르거든요. 특히 대학원을 선택하면 대학원에서 최소한 5년을 지낼 텐데 요즘처럼 세상이 빨리 변하는 시기에 5년 뒤에 어떤 분야가 인기가 있을지는 아무도 몰라요. 몇 년 전만 해도 코딩 분야가 매우 인기였는데 지금은 AI 때문에 수요가 줄어드는 경우를 봤잖아요. 그래서 어떤 분야가 더 유망하냐보다는 자신이 어떤 분야를 좋아하고 어떤 분야가 적성에 맞는지를 생각하는 것이 더 좋은 선택이 될거라고 생각해요. 
  

10. 마지막으로 자연대 학생들에게 해주고 싶은 한마디가 있을까요?

   학생들한테 무엇이든 지금 하고 있는 일에 최선을 다하라고 얘기를 하고 싶어요. 그것이 꼭 공부나 연구가 아니어도 괜찮아요. 제가 하는 말이 당연히 다 옳은 것은 아니겠지만, 제 경험에서는 무언가를 할 때 최선을 다했던 것이 결국에는 다 귀중한 경험으로 돌아왔거든요. 그래서 지금 무언가를 하고 있으면 최선을 다해서 열심히 해보세요. 특히 20대 초반 청춘이잖아요. 열심히 했던 것이 나중에 어떤 형태로든 자산이 될테니 현재 하는 것에 최선을 다하라고 이야기해주고 싶어요.
   

자연과학대학 학생기자단 자:몽 민다연 기자 minda0612@snu.ac.kr
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