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연구성과

  • 2016-01-29
  • 조회수 19810
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입자물리학은 세상을 구성하는 가장 기본적인 입자들을 다루는 분야로 물질을 구성하고 있는 입자가 무엇이고 입자들 사이의 상호작용을 알아내어 자연현상의 본질에 대한 질문을 탐구하는 학문이다. 고에너지 물리학(High energy physics)이라 불리기도 한다.

20세기에 수십년에 걸쳐서 이루어진 입자가속기 실험들을 통하여 입자물리학은 이론적으로 표준모형(Standard Model)을 정립하였다. 표준모형은 우주의 기본입자들이 쿼크와 렙톤과 게이지보존들로 이루어져 있다고 기술하면서 동시에 힉스입자의 존재를 예측하였다. 2013년 CERN의 연구팀이 표준모형의 예상과 일치하는 힉스입자를 발견함으로서 표준모형은 그 입지가 더욱 견고해 졌다.

최근 서울대학교 격자게이지이론 연구단(LGTRC)은 자연에 존재하는 중성 kaon 입자의 특성 중 특별히 자연의 대칭성중 하나인 CP 대칭성을 위반하는 정도인 를 정밀하게 계산하여 발표하였다. [Physical Review D92 (2015) 034510 논문참고] 그 결과는 우리가 믿고 있는 이론인 표준모형으로부터 격자게이지이론을 사용하여 직접 계산한 이론치와 입자가속기 실험에서 매우 정밀하게 측정된 실험치가 표준편차의 3.4배의 차이가 있다는 사실이다. 이것은 표준모형의 기본가설 중의 하나 또는 다수가 붕괴되는 것을 의미하고, 동시에 초표준모형의 존재에 대한 중요한 하나의 단서가 된다.

19세기 말에서 20세기 초에 고전역학의 이론적인 예측이 빗나가고 실험결과를 설명할 수 없는 현상들이 발생하기 시작하였다. 그 당시 양자역학과 상대론이 새로운 이론으로 등장하였고 고전역학이 설명하지 못하는 현상들을 정확하게 설명하면서 현대물리학의 새로운 시대를 열었다. 이와 흡사하게 현재 우리가 발견하고 있는 의 실험치과 이론치의 차이는 표준모형이 설명하지 못하는 현상으로서 표준모형을 대체할 그 모태가 되는 새로운 이론의 존재를 증거한다. 이러한 새로운 이론들을 통칭하여 초표준모형이라고 부른다. 이러한 초표준모형은 낮은 에너지에서는 표준모형과 같고, 또한 의 실험결과를 완전히 설명하고, 또한 높은 에너지에서는 우주의 생성원리를 설명할 수 있어야 한다.

현재 이러한 초표준모형을 찾는 연구가 매우 중요한 연구의 새로운 패러다임으로 형성되고 있다. 를 통하여 초표준모형을 찾는데 필요한 가장 중요한 이론적인 상수가 Kaon BSM B-parameters이다.

2012년 유럽 최대 연구단인 ETM Collaboration과 미국 최대의 연구단인 RBC-UKQCD Collaboration은 BSM B-parameters를 계산하여 각각 논문에 발표하였고 서로의 결과가 일치한다고 공표하였다.

2014년에 서울대학교의 LGTRC가 주도하는 SWME Collaboration은 완전히 다른 더욱 개선되고 새로운 방법으로 BSM B-parameters를 계산하여 [Proceedings of Science, LATTICE 2014, (2014), 370,] 논문에 발표를 하였다. 그 결과는 기존의 ETM과 RBC-UKQCD Collboration들의 2012년 계산과는 표준편차의 3배 이상의 상당한 차이가 있었다. 2014년 당시 이러한 문제점은 해결되지 않은 미제로 남아 있었다.

2015년 여름 일본 고베에서 개최된 Lattice 2015 학회에서 RBC-UKQCD Collaboration은 새로운 더욱 개선된 방법으로 BSM B-parameters를 계산한 결과를 대대적으로 발표하였다. 그 결과는 2014년에 LGTRC의 주도하에 계산된 SWME Collaboration의 결과와 완전히 일치하였다. 이렇게 2014년 SWME Collaboration의 결과가 맞는다는 것이 확증되었다. 이것은 대단히 이례적인 일로서 세계 최대 연구단인 RBC-UKQCD Collaboration이 2012년에 자신들이 발표한 연구결과를 부인하고 SWME 2014 결과가 맞는다고 서울대 LGTRC 연구단의 손을 들어준 매우 극적인 그리고 감격적인 사건이다.

이러한 사건의 의미는 순수한 국내 기술로 서울대학교 격자게이지이론 연구단 (LGTRC)이 자체 개발하고 구축한 DAVID GPU Cluster 슈퍼컴퓨터를 사용하여 계산하였다는 점이다. 또한 일부의 계산은 대전의 KISTI 슈퍼컴퓨터를 사용하여 계산되었다. 그리고 이 사건은 국내 이론물리연구단인 서울대학교 LGTRC 연구단이 주도하여 이루어낸 매우 귀중한 국제무대에서의 대승리라고 볼 수 있다. 이는 한국 물리학계의 쾌거이다. 또한 이번 사건은 서울대학교 격자게이지이론 연구단이 국제적인 주목을 받는 결정적인 계기가 되었다.

이러한 서울대학교의 LGTRC 연구단의 최종 결과는 SWME Collaboration을 대표해서 2015년 9월2일 미국 Physical Review D에 제출되었고 2016년 1월 29일(금) 0시 이후 공식적으로 발표될 예정이다.

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