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김영덕 IBS 지하실험연구단장 "연구자 '바텀업' 대형연구시설이 국제협력 메카로…IBS 역량이 큰 역할"
몇 억원 규모의 대학 연구에서 시작한 국내 입자물리 연구가 대형 지하실험시설을 갖추고 독자적인 암흑물질·중성미자 실험을 수행하는 단계까지 성장했다.이제는 국제 대규모 실험에 단순히 참여하는 것을 넘어 해외 연구진과 대등한 위치에서 공동연구를 진행하는 다음 단계를 준비한다.
강원 정선 예미랩에서 만난 김영덕 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단장은 "그동안 내부적으로 기술을 축적했다면 앞으로는 외국과의 협력을 늘려나가는 것이 연구단이 가야할 새로운 방향"이라고 말했다.
● “연구비 탓하지 말고 원하는 연구 마음껏 해보자”
김 단장이 IBS 설립 당시 연구단장직에 지원한 이유는 분명했다.IBS 출범 전부터 여러 대학 연구자들과 강원 양양에 지하실험실을 꾸려 중성미자를 연구하고 있었지만 기존 연구비만으로는 원하는 결과를 도출하기 위한 대규모 실험을 진행하기 어려웠기 때문이다.
김 단장은 "2010년 전후로 중성미자 질량,파워볼 1등 당첨 확률중성미자 없는 이중 베타 붕괴 등 입자물리학 연구가 가야 할 방향이 점점 뚜렷해졌다"며 "그때 당시에도 상당히 큰 규모의 실험이 필요했다"고 말했다.
연구비 규모만큼 중요한 것은 장기간 한 연구에 몰입할 수 있는 환경이다.김 단장은 “IBS에 합류하기 전에는 연구 기간도 짧고 연구비도 제한적이어서 연구환경에 계속 불만을 가진 채로 연구해왔다”며 “연구에 몰입할 수 있는 환경을 제공해주는 IBS에서는 불평 없이 원하는 대로 연구해보자는 생각을 했다”고 말했다.
IBS 합류 이후 가장 크게 달라진 점은 연구 방식이다.대학 중심으로 이뤄졌던 중성미자 연구는 서울대·경북대·세종대 등 여러 대학 연구자들이 각자의 소속기관에 흩어져 연구하고 정기적으로 모여 논의했다.
IBS에서는 연구자들이 한 곳에 모여 하나의 연구 목표에 집중할 수 있게 됐다.김 단장은 “IBS 초기에는‘여러 곳에 흩어져 있지 말고 모여서 죽이 되든 밥이 되든 함께하라’는 것이 모토였다”며 “흩어져 연구하던 방식에서 집중화된 몰입형 연구로 바뀐 것이 가장 큰 변화”라고 말했다.
연구단을 구성하는 전공도 다양해졌다.암흑물질이나 중성미자처럼 좀처럼 정체을 드러내지 않는 입자를 찾는 연구는 입자물리학자만으로 수행하기 어렵다.주변에서 발생하는 방사선 등 이미 알고 있는 신호를 최대한 제거하려면 검출기·소재·지하시설 구축 등을 위해 여러 분야의 기술이 필요하기 때문이다.
김 단장은 “알고 있는 것을 다 없애야 모르는 것을 발견할 수 있다”고 말했다.IBS 지하실험연구단에는 이를 위해 입자·핵물리 연구자뿐 아니라 화학·고체물리·센서·토목 등 다양한 분야의 연구자들이 모였다.김 단장은 “대학에서는 다양한 전공자를 한 연구 조직에 모으기 어렵다”며 "다양한 분야의 전문가들이 하나의 목표를 위해 모인 연구팀은 세계적으로도 흔하지 않다"고 설명했다.
연구단을 운영하며‘IBS였기에 가능했던 일’로 김 단장이 가장 먼저 꼽은 것은 예미랩 구축이다.강원 정선 예미산 지하 약 1000m에 자리한 예미랩은 암흑물질과 중성미자 등 지상에서 관측하기 어려운 입자를 연구하는 지하실험시설이다.두꺼운 암반이 우주에서 유입되는 방사선 등 외부 신호를 차단해 희귀한 입자 반응을 포착하는 데 유리하다.
기존 양양 지하실험실보다 훨씬 큰 공간이 필요했던 연구단은 여러 후보지를 검토한 끝에 정선 한덕철광 지하에 예미랩을 구축했다.김 단장은 민간 광산과 협의하고 대규모 지하시설을 만드는 과정은 단순히 연구비가 많다고 가능한 일이 아니었다고 설명했다.
그는 “IBS가 아니었으면 연구비만 많다고 해서 됐던 일은 아니었을 것”이라며 국가 연구기관의 조직·행정 역량이 예미랩 구축에 중요한 역할을 했다고 평가했다.
파워볼 1등 당첨 확률김영덕 단장.Rickinasia,Wikimedia Commons 제공" style="text-align: center;"> 이렇게 확보한 연구환경에서 연구단이 출범 당시 세운 목표는 지금도 변함없다.암흑물질을 제대로 검증하는 실험을 수행하고‘중성미자 없는 이중베타붕괴’를 찾는 대형 실험을 하는 것이다.각각 현재의‘코사인(COSINE)’과‘아모레(AMoRE)’실험으로 이어졌다.
김 단장은 "암흑물질·중성미자 연구는 화학·생물학처럼 새로운 발견에 따라 연구 주제와 방향이 달라지기도 하는 분야와 달리 처음부터 풀어야 할 질문이 명확하다"고 설명했다.
김 단장은 "첫 번째 목표인 암흑물질 연구는 당초 목적을 사실상 달성했다"고 말했다.코사인은 이탈리아에서 진행된‘다마(DAMA)’실험에서 관측된 암흑물질 후보 신호를 독립적으로 검증하기 위한 실험이다.
다마와 같은 종류의 결정을 이용해 관측했지만 같은 신호를 확인하지 못해 다마가 관측한 신호가 실제 암흑물질에서 비롯된 것인지 다시 검증해야 한다는 결과를 제시했다.김 단장은 “새로운 발견을 한 것은 아니지만 목적을 달성했다”고 평가했다.
연구는 여기서 끝나지 않는다.한국과 스페인 연구진이 이탈리아에서 후속 연구를 함께 수행할 예정이다.단순히 한국 실험에서는 신호가 보이지 않았다는 결론에 그치지 않고 왜 이탈리아에서만 신호가 나타났는지를 확인한다는 계획이다.김 단장은 “그 이유를 아는 것이 더 중요할 수도 있다”며 “새로운 것은 항상 그런 데서 나올 수 있다”고 말했다.
두 번째 목표인 아모레 실험은 아직 진행형이다.아모레는 아직 관측되지 않은‘중성미자 없는 이중베타붕괴’를 찾는 실험이다.
중성미자는 질량이 매우 작고 다른 물질과 거의 반응하지 않는 기본입자다.우주에는 광자 다음으로 많이 존재하는 것으로 알려져 있어 질량·성질을 규명하면 우주의 구조와 진화를 이해하는 중요한 단서가 될 수 있다.
중성미자의 정확한 질량은 아직 밝혀지지 않았다.자신의 반입자인 반중성미자와 실제 같은 입자인지도 1930년대 질문이 제기된 이후 풀리지 않은 문제로 남아 있다.
중성미자 없는 이중베타붕괴가 관측되면 중성미자와 반중성미자가 같은 입자인‘마요라나 입자’임이 확인된다.이는 중성미자의 질량을 가늠하는 단서가 될 뿐 아니라 초기 우주에서 물질과 함께 만들어졌을 것으로 예상되는 '반물질'이 현재 거의 남아 있지 않은 이유를 설명할 실마리가 될 수 있다.
김 단장은 "실험 준비에 예상보다 두 배 정도 시간이 소요됐다"고 말했다.연구단은 작은 열 에너지 신호를 정밀하게 측정하기 위해 검출기를 1밀리켈빈(mK) 이하의 절대영도에 가까운 극저온으로 낮추는 기술을 선택했다.실제 대규모 검출기를 이 정도 온도까지 냉각하는 과정에서는 처음 예상하지 못했던 기술적 난제가 여럿 발생했다.
계획이 늦어졌지만 출범 당시 구상했던 규모의 실험 자체는 그대로 추진되고 있다.김 단장은 “실험은 제대로 진행되고 있고 결과도 나올 것으로 예상한다”고 말했다.아모레는 올해 본격적인 실험에 돌입할 예정이다.
● 독자 실험 넘어 국제협력으로…“1대1로 대등하게”
연구단 출범 당시와 현재의 가장 큰 차이 중 하나는 암흑물질·중성미자 실험 규모다.암흑물질과 중성미자를 탐색하는 실험이 요구하는 규모가 커지면서 한 연구단이 독자적으로 감당하기 어려운 수준이 됐다.
김 단장은 "주요 암흑물질 실험을 위한 연구비용이 1000~5000억원 규모까지 커졌고 중성미자 없는 이중베타붕괴 실험 역시 1000억원이 넘는 규모로 확대되고 있다"고 설명했다.
그는 "연구단이 향해야 할 또다른 방향이 생겼다"고 말했다.그동안 국내에서 자체적으로 기술과 연구 역량을 쌓는 데 집중했다면 앞으로는 해외 연구진과 진행하는 대형 공동연구를 확대해야 한다는 것이다.
중요한 것은 단순한‘참여’가 아니라는 게 김 단장의 설명이다.수천 명이 참여하는 해외 대형실험에 한국 연구자가 일부 참여하는 방식에서 벗어나 한국이 보유한 지하실험시설과 검출 기술을 바탕으로 대등하게 실험을 이끌겠다는 것이다.
김 단장은 “지하실험 분야에서는 우리가 어느 정도 기반을 닦아놨기 때문에 외국과 협력할 때도 1대1 정도로 대등하게 진행할 수 있을 것”이라며 “작년부터 이탈리아·독일·미국 등 해외 협력을 확대하고 있다”고 말했다.
한국 연구자가 해외에 나가 실험을 진행하는 동시에 해외 연구진도 예미랩으로 와 실험을 수행하는 것이 연구단이 구상하는 모습이다.국내에서 독자적인 실험을 수행하며 쌓은 기술과 인프라를 국제 공동연구의 기반으로 활용한다는 것이다.
답을 찾기까지는 앞으로도 긴 시간이 필요하다.김 단장은 "중성미자의 정확한 질량과 중성미자 없는 이중베타붕괴가 발견되기까지 개인적으로 앞으로 20~30년 정도 걸릴 것"이라고 전망했다.다른 연구자들은 이보다 더 긴 시간을 예상하기도 한다.
지하실험연구단이 한국 과학계에 던진 가장 큰 임팩트는 무엇이냐는 질문에 김 단장은 "연구자들이 필요성을 제기하고 연구 현장에서부터 만들어진 '바텀업' 방식의 대형 연구시설"이라는 점이라고 했다.
그는 "국내 대형 과학시설은 국가 차원에서 필요성을 정하고 추진하는 경우가 많았지만 예미랩은 연구자들의 필요에서 출발해 수천억원 규모의 기초과학 연구시설로 이어졌다"며 "이런 방식으로도 대형 기초과학 프로젝트를 만들어낼 수 있다는 사례를 보여줬다고 생각한다"고 말했다.
물론 아쉬운 점도 있다.지원이 연구 현장과 원활하게 맞물리지 않을 때도 있기 때문이다.김 단장은 "예미랩도 필요한 정규 인력을 확보하기가 쉽지 않은데 IBS만의 문제라기보다 연구기관 전반이 고민해야 할 문제라고 생각한다"고 밝혔다.
지하 깊은 곳에서 던진 질문은 여전히 그대로다.다만 그 답을 찾는 무대는 이제 한국을 넘어 세계로 넓어지고 있다.
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