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핵/입자/통계물리학

이론핵물리연구실

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박병윤 - 바로가기

과학의 역사에서 오래된 질문의 하나는 ‘이 세상의 모든 물질을 이루는 가장 기본적인 것은 무엇인가?’ 하는 것이다. 현재까지 이 질문에 대해 알려진 것은 다음과 같다. 우리가 자연에서 관측하는 물질들은 기본적으로 핵과 전자로 구성된 원자로 이루어져 있다. 원자의 거의 모든 질량을 가진 핵은 다시 양성자와 중성자와 같은 핵자들로 이루어져 있으며 이들은 강한 핵력에 의해 좁은 지역에 뭉쳐있다. 핵자들은 쿼크라고 부르는 더 기본적인 입자로 이루어져 있다. 3개의 쿼크가 모여 핵자 하나를 구성하고, 쿼크와 반쿼크가 결합하여 강한 핵력을 매개하는 중간자를 이루는 것으로 알려져 있다. 따라서 핵물리학은 쿼크들 혹은 핵자들 사이의 상호작용을 이해하는 것을 기본으로 하고 있다.

쿼크들 사이의 상호작용에 대한 것은 이미 양자색소역학(QCD : quantum chromo dynamics)가 올바른 이론인 것으로 받아들여지고 있고 이미 몇 개의 노벨상이 이 연구에 주어지기까지 했지만 아직도 많은 것들이 밝혀지지 않고 있다. 예를 들면 물질을 매우 높은 온도로 올렸을 때 쿼크와 글루온이 핵자로부터 풀려나와 플라즈마 상태로 되는 가라든가 물질의 밀도가 중성자 별의 내부에서와 같이 매우 높아지면 물질의 상태가 어떻게 변하는 가 등은 아직도 수수께끼로 남아 있다. 특히 높은 밀도의 핵물질의 경우 현재까지 개발된 수치해석적인 방법으로는 풀기가 매우 어렵다. 이 ‘극하상황에서의 핵물질’에 대한 문제는 ‘21세기에 남겨진 21개의 물리과제’에 포함된 것이다.

이론핵물리 연구실의 최근 연구주제는 스컴 모형을 통해 고밀도 핵물질에서의 핵자들의 성질 변화에 대한 것이다. 스컴 모형은 1960년초에 영국의 스컴(T.H.R. Skyrme)이 제안한 것으로 중간자의 동력학을 기술하는 라그랑지안으로부터 유도되는 비선형 방정식의 솔리톤 해를 중입자로 여겨 그 구조를 이해하자는 것으로부터 시작되었다. 스컴 모형은 직접적으로 도입의 동기가 되었던 홑개의 중입자의 구조와 동력학, 중입자-중간자 상호작용에 대한 통합적인 기술 뿐 아니라 여러 중입자의 집합체인 원자핵, 높은 밀도와 온도에서의 핵물질 등 핵물리학의 제반 현상에 폭 넓게 응용되고 있다. 특히 중간자와 중입자의 통합적인 기술을 할 수 있다는 장점을 살려 고온 고밀도와 같은 핵물질 내에서 핵자들의 성질 변화 등의 연구에 매우 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 연구결과는 천체물리학에서 중성자별등의 고밀도 천체 등의 연구와 접목 될 수 있고 고에너지 중입자의 충돌등의 입자물리실험의 분석 및 예측에 쓰일 수 있다.

3차원에서의 스커미온은 5차원의 홑극(magnetic monopole), 4차원의 인스탄톤(instanton)과 더불어 수리물리학적으로 매우 중요한 의미를 가지는 솔리톤 해이다. 최근에는 이들 모두가 차원을 변환하여 연결하는 통합적인 이론들에 대한 연구가 활발하다. 대표적인 것들이 4차원의 인스탄톤과 3차원의 스커미온을 연결해주는 아티야-만톤 가설[4]이고 5차원의 홑극과 4차원의 인스탄톤을 연결하여 주는 아티야-히친-드린펠트-마닌 건조법(ADHM construction)등이다. 한편 2차원 전자계의 스핀 동력학을 기술하는 유효이론의 라그랑지안도 스커미온 해를 가지며 이들은 양자홀 강자성체(quantum Hall ferromagnetic system)의 연구에 매우 중요한 역할을 한다. 최근에는 특히 여러 개의 스커미온으로 이루어진 스커미온 격자계(skyrmion lattice)의 구조 및 그 특성에 대한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다.