Такааки Кадзита
Такааки Кадзита (梶田 隆章, род. 9 марта 1959 в Хигасиматсуяме, префектура Сайтама) — японский физик. Он доказал в 1998 году, что нейтрино превращаются друг в друга на своём пути — а тем самым, что они обладают массой. За это он получил в 2015 году совместно с Артуром Б. Макдональдом Нобелевскую премию по физике.
Путь
Кадзита учился в университете Сайтамы и перешёл для защиты диссертации в Токийский университет, где в 1986 году завершил её у Масатоси Косибы. Тем самым он с самого начала принадлежал к той группе, которая в цинковом руднике близ Камиоки эксплуатировала один из самых необычных детекторов мира.
С 1988 года он работает в Институте исследований космических лучей Токийского университета, руководство которым он принял в 2008 году.
Загадка, которая его ждала
Детектор «Камиоканде» был первоначально построен для совсем другого вопроса: хотели увидеть, распадаются ли протоны. Распада протона не произошло — по сей день. Вместо этого участникам бросилось в глаза нечто иное.
Атмосферные нейтрино возникают, когда космические лучи попадают на воздушную оболочку. Из цепочки распада порождённых при этом пионов следует ясное ожидание: на одно электронное нейтрино должно приходиться два мюонных нейтрино. Это соотношение почти не зависит от того, насколько сильны космические лучи в данный момент, — то есть источник не нужно точно знать, чтобы иметь резкое предсказание.
Однако «Камиоканде» измерял заметно слишком мало мюонных нейтрино. Этот результат лежал на столе с середины 1980-х годов и назывался атмосферной нейтринной аномалией. Всерьёз его сначала не приняли. Напрашивающееся предположение гласило, что детектор недостаточно чисто различает виды частиц.
Приём: Земля как мерило
Вклад Кадзиты состоял в том, чтобы поставить вопрос иначе. Вместо того чтобы спрашивать, сколько мюонных нейтрино недостаёт, он спросил, с какого направления их недостаёт.
Мысль за этим отличается большой простотой. Детектор глубоко под землёй принимает нейтрино со всех направлений — но у них за спиной совершенно разные пути. То, что приходит сверху, возникло примерно в 15 километрах над детектором. То, что приходит снизу, возникло на другой стороне планеты и прошло около 13 000 километров.
Одна и та же установка измеряет тем самым одновременно очень короткий и очень длинный отрезок. А поскольку осцилляции нейтрино зависят от длины пути, эффект должен проявиться как зависимость от угла падения — если он существует.
Ошибка детектора так себя не повела бы. Она действовала бы сверху так же, как снизу.
Решение 1998 года
Для ответа потребовался детектор побольше. Super-Kamiokande начал работу в 1996 году: 50 000 тонн очень чистой воды, окружённые более чем одиннадцатью тысячами фотоумножителей, на 1 000 метров под горой Икено.
После двух лет измерений результат был налицо. Сверху приходило ожидаемое число мюонных нейтрино. Снизу приходила примерно половина. Электронные нейтрино такого дефицита не показывали — они приходили с обоих направлений так, как было рассчитано.
Мюонные нейтрино, стало быть, не исчезли на долгом пути сквозь Землю. Они превратились, преимущественно в тау-нейтрино, которых детектор не видел.
Кадзита представил результат в июне 1998 года на конференции Neutrino 98 в японском городе Такаяма. Очевидцы рассказывают, что зал после доклада аплодировал несколько минут — необычно для научной конференции.
Почему это весило так тяжело
Доказательство осцилляции имеет следствие, которое простирается далеко за пределы нейтринной физики. Осциллировать может лишь то, что имеет массу, — причём разные массы для разных видов.
Стандартная модель физики частиц десятилетиями числила нейтрино безмассовыми. Это была самая успешная теория физики, подтверждённая в сотнях измерений. Результат Кадзиты показал, что в этом месте она неполна.
Это по сей день единственный надёжный лабораторный результат, указывающий за пределы Стандартной модели. Откуда берутся массы нейтрино, остаётся открытым; механизм качелей — самая известная попытка объяснения.
Затем
Кадзита остался верен фундаментальным исследованиям, но сменил область. Он руководит строительством KAGRA, японского детектора гравитационных волн, который также находится под землёй в Камиоке — в тех же горах, где измеряют нейтрино.
С 2020 по 2023 год он был президентом Научного совета Японии. В этой роли он неоднократно высказывался о свободе исследований и об ответственности учёных перед обществом.
Связанные понятия
- Super-Kamiokande — детектор
- Атмосферные нейтрино — источник
- Осцилляции нейтрино — процесс
- Масатоси Косиба — его учитель
- Артур Б. Макдональд — его солауреат
Источники
- Коллаборация Super-Kamiokande (Y. Fukuda и др.): Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
- Нобелевский фонд: Нобелевская премия по физике 2015 года, обоснование и Нобелевская лекция Такааки Кадзиты.