현대물리학의 가장 중요한 기초를 이루는 소립자우주론과 중력리론에서 제기되는 세계적인 초점문제들을 해명할것을 목적으로 물리 학부의 연구집단은 도이췰란드 뮨헨종합대학, 미국 스탠포드종합대학을 비롯한 다른 나라의 이름있는 학자들과 공동으로 소립자우주론과 중력리론을 기초리론적으로 발전완성시키는데서 제기되는 근본적인 미해명문제들인 우주의 가속팽창문제와 암흑물질문제, 초기우주의 특이성문제, 새로운 중력리론 및 량자중력리론과 관련된 문제들에 대한 연구사업을 진행하여 다음과 같은 연구성과들을 거두었다.
△ 숨은 에네르기에 의한 우주의 가속팽창
현시기 우주론에서 가장 중요한 문제의 하나는 우주의 가속팽창의 물림새를 기초리론적으로 해명하는것이다.
특히 1990년대말 초신성관측에 의하여 현재 우주가 가속팽창하고있다는 놀라운 사실이 밝혀진 후 이 현상을 설명하기 위하여 리론물리학계에는 우주론적상수와 제5요소마당을 비롯한 숨은 에네르기를 가정하는 많은 모형들이 제기되였으나 여전히 기초리론적으로 타당한 리론을 내놓지 못하고있다.
가장 풀기 힘든 문제는 어째서 우주의 가속팽창이 복사우세기로부터 물질우세기에로 넘어가는 시점에서 일어나는가를 설명하는 우연성문제이다.
물리학부의 연구집단은 작용에 비정준운동항을 가지는 일반화된 스칼라마당인 k-마당의 리론을 리용하여 우연성문제를 풀기 위한 연구를 진행하였다.
선행보다 훨씬 일반화된 k-마당의 라그랑쥬안에 기초하여 정의 에네르기밀도를 가지며 유령마당이 없는 k-요소리론을 구성하였다.
또한 이 k-요소리론에서 안정한 추적자풀이가 존재할 모든 가능성들에 대한 철저한 분석을 진행하였다. 즉 고정된 상수상태방정식을 가지는 물질에 중력을 통해 결합된 k-요소마당의 우주론적진화를 고찰하여 스칼라마당의 상태방정식과 상대에네르기밀도가 상수로 다가가는 흡인체 혹은 추적자풀이들을 허용하는 라그랑쥬안들을 분석하여 가능한 모든 경우들을 찾아내였다.
다음으로 추적자풀이들을 허용하는 라그랑쥬안중에서 복사 우세기동안에는 상대에네르기밀도가 작은 추적자풀이를, 물질 우세기동안에는 상대에네르기밀도가 큰 추적자풀이들을 허용하는 라그랑쥬안들에 대한 분석을 진행하여 우주론적으로 타당한 모형을 얻어내였다.
다음 얻어진 새로운 모형에서 스칼라마당의 섭동이 빛속도보다 빨리 전파하는 기간이 존재한다는것을 밝히고 초광속신호의 전파에도 불구하고 고전적으로 인과성을 파괴하지 않는다는것을 보여주었다.
△ 초기우주의 특이성과 초현리론
현재 우주가 팽창하고있으며 일정한 온도를 가진다는 사실로부터 과거로 거슬러올라갈수록 우주의 온도는 뜨거워지고 에네르기밀도는 점점 높아져 우주의 온도나 에네르기밀도가 무한대로 발산하게 되는 시점이 존재하게 된다는것이 기존의 표준우주론의 기본결과들중의 하나이다. 이것을 초기우주의 특이성문제라고 한다.
초기우주의 에네르기척도는 매우 높기때문에 특이성문제를 해명하기 위해서는 필연적으로 고에네르기물리학 특히 초현리론과 같은 량자중력리론에 의거하여야 한다.
물리학부의 연구집단은 우주가 수축상으로부터 팽창상으로 이행하는 되튐을 리용하여 특이성문제가 나타나지 않도록 하기 위해 제기된 선행리론의 심중한 약점을 분석하고 초현리론에 기초한 새로운 되튐우주모형을 제기하였다.
우선 새로운 에크피로틱리론에서 선행연구자들이 무시하였던 고계도함수항을 엄밀히 취급하면서 이 리론을 량자화하여 부의 에네르기를 가지는 유령립자가 존재한다는것을 보여주었다. 이 유령립자는 진공을 불안정하게 하며 따라서 새로운 에크피로틱리론은 량자력학적으로 불합리한 리론이라는것을 밝히였다.
다음으로 새로운 에크피로틱리론에서 고계도함수항에 의한 새로운 자유도를 포함한 우주의 되튐동력학을 연구하여 새로운 자유도가 되튐동력학을 방해한다는것을 보여주었으며 따라서 새로운 에크피로틱 리론은 고전적으로도 초기우주의 특이성을 제거하기 어렵다는것을 보여주었다.
또한 IIA형 초현리론의 non-BPS브레인을 리용하여 자체모순이 없이 초기우주의 특이성을 제거하는 새로운 되튐우주모형을 제기하였다. 이 모형에 의하면 우주가 현의 크기만 한 구역안으로 수축할 때 불안정한 non-BPS브레인이 생성되여 되튐을 일으키면서 팽창하며 이때 브레인은 붕괴되여 없어진다.
△ 초기우주의 재가열과 물질합성
우주의 재가열은 인플레이션이라고 부르는 초기우주의 가속팽창이 일어난 다음 물질이 합성되는 물림새이다. 우주의 재가열은 표준우주대폭발리론의 초기조건을 설정하며 우주재가열에 의하여 얻어지는 우주의 최고온도는 소립자물리학의 표준모형의 확장리론을 연구하는데서 중요한 파라메터가 된다.
이와 관련하여 선행에서 얻어진 한가지 중요한 주장은 인플레톤의 붕괴산물이 가지는 열적질량이 우주재가열온도의 웃한계를 결정한다는것인데 이것이 사실이라면 현존우주론의 많은 문제들에 커다란 영향을 미친다.
물리학부의 연구집단은 뮨헨기술종합대학의 학자와 공동으로 비평형량자마당론에 기초하여 우주재가열의 운동학을 엄밀히 연구하여 열적질량과 재가열온도사이의 관계를 명백히 해명하였다.
물리학부의 연구집단은 열적량자마당론을 리용하여 스칼라립자와 게이지호상작용하는 페르미온을 포함하는 플라즈마에서 인플레톤의 완화속도 즉 우주재가열속도를 계산하여 인플레이션우주론에서 초기온도를 결정할수 있게 하였다.
물리학부의 연구집단은 구체적인 계산을 통하여 총체적인 반응속도가 붕괴 및 역붕괴뿐아니라 란다우감쇠라고 부르는 플라즈마산란에 의해서도 영향을 받으며 페르미온의 경우 파울리배타원리에 의하여 억제되여 무시될수 있다고 보던 가열과정이 높은 온도에서는 오히려 더욱더 가속화된다는것을 보여주었다.
물리학부의 연구집단은 암흑물질과 초기우주대폭발핵합성을 리용하여 새로운 중력리론들의 파라메터들을 결정하기 위한 연구사업을 진행하였다.
실례로 액씨노를 LSP로 하는 초대칭모형에서 나타나는 암흑물질을 랜덜-싼드럼 II브레인모형의 틀거리에서 연구하여 두 모형사이의 호상련관성을 연구하였으며 초기우주대폭발핵합성을 리용하여 f(R)∝Rn중력리론이 아인슈타인의 일반상대성리론으로부터 현저히 차이날수 없다는것을 밝히고 약하게 호상작용하는 무거운 소립자 (WIMPs)들로 이루어진 암흑물질과 f(R)∝Rn중력리론사이의 호상련관성을 연구하였다.
△ D-브레인과 현리론의 유효작용
현리론은 량자중력리론의 가장 전망성좋은 후보자로 간주되고 있다.
특히 D-브레인은 현리론의 형식론적발전에서 중요한 의의를 가질뿐아니라 소립자물리학과 우주론에로의 응용적측면에서 보다 큰 역할을 놀고있다.
더우기 모듈라이마당은 D-브레인의 핵심적인 구성요소를 이루고있으며 그의 낮은에네르기유효작용은 현리론과 우주론사이의 호상련관을 해명하는데서 필수적인 방법론을 제공한다.
이와 관련하여 모듈라이마당계량의 량자보정은 현리론의 중요난문제의 하나인 모듈라이안정화를 해결할수 있는것으로 하여 매우 중요한 연구대상으로 되고있다.
물리학부의 연구집단은 도이췰란드, 스웨리예학자들과 공동연구를 진행하여 최소초대칭초현리론모형에서 켈러계량의 량자보정을 계산하는데서 적지 않은 성과를 거두었다.
실례로 각을 이루는 D-브레인의 방향성모형에서 (toroidal orientifolds with branes at angles) D-브레인모듈라이마당의 켈러계량에 대한 한고리 량자보정을 계산하고 N=1 초대칭부분의 량자보정이 령이 된다는것을 밝히였다. 이것은 일반초대칭마당론의 비재규격화정리로부터 도출되지 않는 순수한 현리론적인 효과로서 이 분야에서 보기 드문 새로운 현상으로 학계의 주목을 끌었다.
또한 닫긴현모듈라이마당의 켈러계량에 대한 량자보정을 얻어내기 위한 연구도 진행하여 일정한 성과를 거두었으며 이 과정에 여러가지 새로운 계산방법과 기술들이 창안되여 현리론의 유효작용의 량자보정을 연구하는데 적지 않은 전진을 이룩한것으로 평가되고있다.
