물리학자들이 초중력(supergravity) 이론을 발표한 지 40년 만에 공로를 인정받았다.

세르지오 페라라(Sergio Ferrara), 다니엘 프리드먼(Daniel Freedman), 피터 반 뉴엔후이젠(Peter van Nieuwenhuizen)은 1976년 초중력의 형성으로 6일(현지시각) 3백만 달러 상금의 기초 물리학 특별 혁신상(Special Breakthrough Prize) 공동 수상자로 선정됐다.

뉴저지 프린스턴대 고등연구소(Institute for Advanced Study) 이론 물리학자 에드워드 비텐 (Edward Witten) 선임위원회 의장은“초 중력의 발견은 시공간의 역학을 설명 할 때 양자 변수를 포함시키는 시작이었다”며 “아인슈타인 방정식이 우리가 초중력으로 알고 있는 일반화를 인정한다는 것은 놀랍다”고 성명에서 밝혔다.

1960년대와 70년대에 연구원들은 입자 물리학의 표준 모델을 개발했다. 이 모델은 전자기력과 강하고 약한 핵력의 네 가지 알려진 자연의 힘 중 세 가지를 설명한다.

표준 모델은 수년에 걸쳐 매우 성공적이었다. 예를 들어 2012년에 발견 된 힉스 보손(Higgs boson)의 존재를 예측했다. 보손(Bosons)은 페르미온(fermions)과 함께 알려진 두 가지 유형의 입자 중 하나다.

둘은 서로 다른 ‘스핀’또는 각 운동량으로 구별된다. 쿼크, 렙톤 및 모든 복합 입자를 포함하는 페르미온은 1/2 및 1과 1/2와 같은 절반 정수 스핀을 가진다. 힉스 입자, 글루온 및 기타 보손은 0, 1 등의 정수 스핀을 갖는다.

페르미온은 우주의 약 95%를 차지하지만 알려진 바 없는 암흑물질, 암흑에너지와는 달리 ‘정상’물질을 구성하고, 보손은 힘을 운반한다.

그럼에도 표준모델은 완전하지 않다. 우선, 그것은 알버트 아인슈타인 (Albert Einstein)의 일반상대이론이 설명한 네 번째 기본 힘인 중력을 다루지 않는다. 또한 많은 입자의 실제 질량은 모델에서 예측보다 훨씬 낮다.

물리학자들은 표준모델을 개선하기 위해 계속 노력하고 있다. 1973년 혁신 중 하나는 초대칭(supersymmetry) 개념의 발견이었다. 이 개념은 알려진 각 입자에 알려지지 않은 파트너가 있음을 제시했다.

각 보손(boson)은 슈퍼페르미온(superfermion)과 쌍을 이루고 각각의 페르미온(fermion)은 슈퍼보손(superboson)과 쌍을 이룬다. 표준모델과 마찬가지로 초대칭이론은 처음에 중력을 포함하지 않았다. 페라라, 프리드먼, 반 뉴웬후이젠은 이를 수정했다.

세 물리학자의 초중력 작업은 1975년 파리 고등사범학교(École Normale Supérieure)에서 페라라와 프리드먼의 토론으로 시작됐다. 이 두 사람은 곧 뉴욕의 스토니브룩대(Stony Brook University)에서 양자중력을 연구하던 반 뉴웬후이젠을 초청했다. 세 사람은 함께 중력을 매개하는 가상의 보손인 그라비톤(graviton)의 초대칭 파트너 그라비티노(gravitino)를 포함하는 초대칭 이론을 고안했다.

초중력은 일반적인 상대성이론을 대체하는 것이 아니라 확장하는 역할을 한다.

비텐은 1981년 일반 상대성이론 포지티브 에너지 정리(positive energy theorem)에 대한 증거로 초중력을 포함시켰다. 이를통해 그는 1990년에 권위있는 필즈메달(Fields Medal)을 수상했다.

초중력(supergravity)은 지난 40년 동안 이론 물리학에 깊은 영향을 미쳤다. 초대칭은 중력 현상을 포함해 우주 현상에 실용적인 설명을 제시했다. 초중력은 우리가 입자로 관찰 한 것이 실제로 작고 진동하는 끈이라고 가정하는 ‘모든 것의 이론’인 끈이론의 필수적인 부분이 됐다.

특별혁신상 창립자 유리 밀너(Yuri Milner)는 “우리는 인간의 상상력의 위대한 작품을 생각할 때 종종 예술, 음악 및 문학을 의미한다. 하지만 가장 심오하고 아름다운 작품은 과학자의 작품이다. 슈퍼그래비티는 수십 년간 물리학자에게 영감을 주었으며 현실의 본질에 대한 깊은 진실을 담고있을 것”이라고 성명서에서 밝혔다.

그라비티노는 암흑물질의 성분일 수도 있다. 그러나 입자 또는 다른 가정된 초입자가 실제로 존재하는지 여전히 알지 못한다. 지금까지 누구도 관찰하지 못했다.

이는 입자가속기 한계를 반영한 것일 수 있다. 힉스보손(Higgs boson)을 밝힌 유럽 대형 강입자충돌기(LHC)보다 강력한 장치에서도 그래비티노가 여전히 애매하게 남아 있다면, 초중력은 아름다운 이론적 아이디어일 뿐이며 자연 이론이 아니라고 반 니우엔후이젠은 설명한다.

LHC를 운영하는 유럽 원자력연구소(European Organization for Nuclear Research, 프랑스 약어 CERN)와 UCLA에서 연구중인 페라라, MIT 프리드먼(현재 스탠포드대 방문교수), 반 니우웬후이젠은 각각 이탈리아, 미국, 네덜란드 출신이다.

세 물리학자는 11월 3일 실리콘밸리 NASA 암스연구소(Ames Research Center)에서 2020년 특별 혁신 상(Breakthrough Prize) 시상식에서 공식적으로 상을 받게된다. 이 연례 행사에서는 기초 물리학상 수상자와 더불어 생명과학 및 수학 분야도 상을 수여한다.

이번 기초 물리학 5번째 특별혁신상 이전 수상자는 스티븐 호킹(Stephen Hawking), 힉스 보손을 발견한 7명의 CERN과학자; 중력파를 최초로 직접 감지한 레이저 간섭계 중력파 천문대(LIGO) 공동연구팀. 1967년 펄서를 발견한조셀린 벨 버넬(Jocelyn Bell Burnell) 등이다.