우주의 근원과 우리 주변에서 일어나는 자연 현상들의 근본을 이해하려는 입자 물리학에는 “강한 상호작용의 CP 문제”와 “암흑물질 (Dark Matter) 규명”이라는 미해결 문제가 존재합니다. 액시온 이론은 이러한 중요 난제들에 대한 동시적 해결책으로 제시된 이론으로, 현재까지도 전세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있습니다. 하지만, 액시온 이론은 위상적 결함 (Topological Defect)의 일종인 도메인 벽 (Domain Wall)이라는 3차원 결함을 수반하게 되며, 이는 현재까지의 실험적 관측 결과에 위배됩니다. 이에 따라, “액시온 도메인 벽 문제 (Axion Domain Wall Problem)”의 이론적 해결은 액시온 이론을 통한 강한 상호작용 CP문제 해결과 암흑물질 규명에 요구되는 중대한 선결 조건이라 할 수 있습니다.

본 과제에서는, 액시온 도메인 벽 문제의 정확한 문제 정의와 이를 해결할 수 있는 이론의 구축을 목표로 합니다. 더불어, 이러한 이론들이 제시하는 현상론적 연구를 포괄적으로 수행함으로써 가속기, 암흑물질 검출 실험, 우주론 및 천체물리학적 실험들에서 가능한 관측을 예측하고, 액시온 입자와 위상학적 결함들의 발견을 가속시킬 수 있는 가이드 라인의 제시를 추구합니다.

이를 위해서, 우선 액시온이 표준모형과 상호작용하는 이론의 대칭성을 분석합니다. 이 때, 표준모형 게이지 군의 위상학적 구조 (Global Structure)의 모든 가능성을 고려하여, 최근 이론 물리학의 중요한 분야로 떠오른 “일반화된 대칭성 (Generalized Global Symmetry)”을 집중적으로 연구합니다. 이를 바탕으로, 액시온 도메인 벽의 스펙트럼을 구하고, 이를 통해 액시온 도메인 벽 문제의 가장 엄밀한 정의 수립과 더불어 표준모형 게이지 군의 위상학적 구조와 도메인 벽 스펙트럼간의 상관관계를 세계최초로 밝힐 것입니다.

다음 단계로, 일반화된 대칭성, 특히 비가역 대칭성 (Non-invertible Symmetry),에 의해 발생하는 도메인 벽 문제를 해결할 수 있는 이론을 구축할 것입니다. 이를 위해서, 표준모형을 포함한 확장 이론들을 구축하고, 이러한 확장 이론들이 예측하는 이론적 현상론적 물리를 체계적으로 연구할 예정입니다. 여기에는, 도메인 벽 문제와 위배되는 않는 액시온 “입자” 검출 영역의 확립과 액시온 우주끈 (Cosmic String), 도메인 벽을 포함한 “위상학적 결함”들의 우주론적 검출 예측을 위한 연구가 포함될 것입니다.

본 연구는, 액시온 도메인 벽 문제를 일반화된 대칭성의 측면에서 분석하는 세계최초의 연구입니다. 정확한 문제의 정의 제시와 더불어 문제 해결을 가능하게 하는 확장 이론의 확립이 기대됩니다. 더 나아가, 액시온 입자 및 결함 관측을 통한 표준모형 게이지 군의 위상학적 구조의 규명이라는 최초의 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대됩니다.