입자 물리학 프로젝트 우선 순위 지정 패널(Particle Physics Projects Prioritization Panel·P5)은 최근 향후 5년에서 10년 간의 연구 자금 지원에 대한 권장 사항을 담은 상세한 보고서를 발표했다. 입자물리학은 기본입자의 특성과 상호작용을 탐구하는 물리학의 한 분야이다.

이 권고안은 뮤온, 중성미자, 암흑물질, 힉스 입자 등의 연구를 포함하고 있으며, 비록 구속력은 없지만 미국 입자 물리학 커뮤니티의 의견을 반영한다. 이는 물리학 연구 분야에서 가장 창의적인 아이디어 중 일부를 제시하는 것으로, 해당 분야의 발전 방향을 제안하고 있다.

인터넷 포럼 빅씽크(Big Think)는 최근 보도를 통해 미국 입자 물리학 커뮤니티가 다년간의 검토를 거쳐 향후 5년에서 10년간의 연구 비전을 발표했다고 전했다. 이들은 다양한 프로젝트들이 자금을 지원받을 경우, 연구자들이 자연의 법칙을 더 깊이 이해하는 데 크게 기여할 수 있을 것이라고 강조했다.

이번 권고안은 '양자 우주 탐사: 입자 물리학의 혁신과 발견을 위한 길'이라는 제목의 보고서에서 발표됐다. 이 보고서는 고에너지 물리학 자문 패널(HEPAP)의 하위 패널인 입자 물리학 프로젝트 우선순위 지정 패널(P5)에 의해 작성됐다.

이 권고안은 미국 에너지부 과학국과 국립과학재단 등 자금 지원 기관에 제출되어 향후 10년간의 자금 지원 결정을 안내하는 데 사용될 예정이다.

입자 물리학자들은 실험실에서 달성 가능한 최극단의 조건에서 물질의 거동을 연구한다. 이들은 양성자와 전자와 같은 아원자 입자를 거의 광속에 가까운 속도로 가속시키고, 크고 강력한 입자 가속기를 사용하여 이들을 충돌시킨다. 세계에서 가장 강력한 가속기를 사용하는 과학자들은 약 섭씨 7조도에 달하는, 상상하기 어려운 극도의 고온에 도달할 수 있다. 이는 태양의 핵심보다도 10만 배 더 뜨겁고, 초신성의 중심보다 약 100배 더 뜨겁다. 빅뱅 직후 1조분의 1초도 안 되는 시점부터 우주 전체에 걸쳐 온도가 균일하지 않았다.

미국 입자 물리학 커뮤니티는 약 5년마다 지난 5년 동안의 진전을 평가한다. 이 정보를 바탕으로, 단기적으로 진전을 이룰 가능성이 높은 연구에 우선 순위를 둔다. 커뮤니티는 예산, 필요한 기술의 존재 여부 및 개발 상황과 같은 실질적인 사항을 고려해야 한다.

과학적 영향력도 중요한 고려 대상이다. P5와 HEPAP는 모두 어떤 프로젝트를 추진해야 할지에 대한 권고를 제시하는 자문 및 정부 자금 지원 기관에 불과하다.

P5 보고서는 다양한 규모와 영향력을 가진 프로젝트를 권장한다. 이 중 더 큰 프로젝트 중 하나는 우주의 우주 마이크로파 배경을 연구하기 위한 4세대 노력이다. 이 마이크로파는 빅뱅 이후 남은 가장 오래된 탐지 가능한 잔해로, 초기 우주의 모습을 직접 관찰할 수 있게 해 준다.

또 다른 주요 프로젝트는 세계적 수준의 중성미자 연구 프로그램을 강화하기 위해 페르미랩(Fermilab) 가속기 단지를 업그레이드하는 것이다. 페르미랩은 미국의 주요 입자물리학 연구소로, 지구 전체를 통과할 수 있는 드물게 상호작용하는 중성미자의 행동을 연구하기 위해 특별한 노력을 기울이고 있다. 중성미자 연구는 우주가 왜 물질로만 보이는지에 대한 해답을 찾는 데 중요한 역할을 할 수 있으며, 우리가 가진 최고의 이론은 반물질도 동등하게 존재해야 한다고 가정한다.

P5 보고서는 또한 일반 물질보다 약 5배 더 널리 퍼져 있을 것으로 추정되는, 형태가 알려지지 않은 암흑물질을 찾기 위한 3세대 실험을 권장하고 있다. 만약 암흑물질이 실제로 존재한다면, 그것은 거의 상호작용 없이 지구를 통과할 것으로 예상된다. 이러한 이론적 형태의 물질을 탐지하기 위해서는 집중적인 연구 노력과 첨단 기술이 필요하다.

보고서는 또한 미국이 유럽이나 아시아에서 개발될 힉스 입자에 대한 심층 연구를 수행할 미래의 가속기 프로젝트에 참여하는 것을 권장한다. 이는 2012년에 발견된 힉스 입자가 다른 아원자 입자에 질량을 부여하는 역할을 한다는 것을 더 상세히 연구하는 데 중요하다.

또한, 고에너지 뮤온 충돌기의 개발 가능성을 탐구하는 것도 야심 찬 제안 중 하나다. 뮤온은 전자보다 무겁고, 빠르게 붕괴하는 특성을 가지고 있다. 뮤온 충돌기를 만들기 위해서는 연구자들이 뮤온을 생성하고 포획한 후, 매우 짧은 시간 내에 가속하고 충돌시켜야 한다. 이러한 시설의 구현 가능성은 아직 확실하지 않지만, 국가 가속기 과학 커뮤니티가 협력하여 이를 확인하는 것이 중요하다.

더 적당한 가격의 미래 시설에는 아이스큐브(IceCube) 감지기의 업그레이드가 포함된다. 아이스큐브는 남극 대륙의 입방 킬로미터 규모의 얼음을 활용하여, 현재까지 발견된 가장 강력한 에너지를 가진 우주 중성미자를 포함해 우주 중성미자를 연구한다. 이러한 연구는 초신성, 중성자별 충돌, 거대한 블랙홀 주변에서 가속되는 물질과 같은 격렬한 천문학적 현상에 대한 중요한 통찰력을 천문학자들에게 제공할 수 있다. 2세대 아이스큐브는 10배 더 많은 얼음을 사용하여 훨씬 더 정밀한 측정이 가능하다.

P5 위원회의 권고안은 구속력은 없지만, 미국 입자물리학 커뮤니티의 판단을 반영하고 있다. P5 소집 전에는 수천 명의 물리학자들이 스노우매스 프로세스(Snowmass Process)를 통해 함께 작업했다. 여러 해에 걸쳐 이들은 최고의 아이디어를 제안하고, 이에 대한 토론을 위해 대규모 회의에 모였다. 토론, 비평 및 개선을 거쳐 스노우매스의 제안은 자연 법칙에 대한 우리의 이해를 향상시키는 가장 창의적인 아이디어 중 일부를 제시한다.

P5 위원회는 스노우매스의 제안을 검토하여 일부는 개선하고, 나머지는 자금 지원 기관에 제출할 예정이다. 이 과정의 다음 단계는 미국 DOE(에너지부) 및 NSF(국립과학재단)와 같은 기관들이 국제적 차원의 협력을 고려하고 재정적 실제 상황을 반영하는 것이다. 2024년이 되면 미국 입자물리학 연구의 미래 방향이 더욱 명확해질 것으로 기대된다.

반면, 한국의 경우 연구 지원금이 끊기면서 연구진이 어려움을 겪고 있다. 한국의 연구팀은 우주에서 가장 높은 에너지를 가진 것으로 알려진 우주선(cosmic ray) 관측에 성공한 '텔레스코프 어레이(TA) 코퍼레이션' 국제 공동 연구에 참여 하고 있었다.

박일흥 성균관대 물리학과 교수가 이끄는 연구팀은 지난 연구 최종 평가에서 최우수 등급을 받았음에도 불구하고 한국연구재단의 우수연구자교류지원사업에서 탈락하여 연구 중단 위기에 직면했다.

이 연구팀이 관측하는 우주선은 우주공간에서 지구로 끊임없이 도달하는 다양한 입자와 방사선으로, 이를 통해 암흑물질을 비롯한 미지의 우주 구성물질을 규명하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

그러나 아쉽게도 2023년 1월, 연구비 확보의 불확실성으로 인해 박 교수 연구팀의 연구가 중단됐다. 결과적으로 한국 연구팀은 최소 1~2년 동안 TA 코퍼레이션 국제 공동 연구에 기여할 수 없게 됐다.