Takaaki Kajita

Takaaki Kajita (梶田隆章, * 9. März 1959 in Higashimatsuyama, Präfektur Saitama) ist ein japanischer Physiker. Er wies 1998 nach, dass Neutrinos sich auf ihrem Weg ineinander umwandeln — und damit, dass sie Masse besitzen. Dafür erhielt er 2015 gemeinsam mit Arthur B. McDonald den Nobelpreis für Physik.

Werdegang

Kajita studierte an der Universität Saitama und wechselte für die Promotion an die Universität Tokio, wo er 1986 bei Masatoshi Koshiba abschloss. Damit gehörte er von Anfang an zu jener Arbeitsgruppe, die in einer Zinkmine bei Kamioka einen der ungewöhnlichsten Detektoren der Welt betrieb.

Seit 1988 arbeitet er am Institute for Cosmic Ray Research der Universität Tokio, dessen Leitung er 2008 übernahm.

Das Rätsel, das ihn erwartete

Der Detektor Kamiokande war ursprünglich für eine ganz andere Frage gebaut worden: Man wollte sehen, ob Protonen zerfallen. Der Protonenzerfall blieb aus — bis heute. Stattdessen fiel den Beteiligten etwas anderes auf.

Atmosphärische Neutrinos entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die Lufthülle trifft. Aus der Zerfallskette der dabei erzeugten Pionen folgt eine klare Erwartung: Auf ein Elektron-Neutrino sollten zwei Myon-Neutrinos kommen. Dieses Verhältnis hängt kaum davon ab, wie stark die kosmische Strahlung gerade ist — man muss die Quelle also nicht genau kennen, um eine scharfe Vorhersage zu haben.

Kamiokande maß aber deutlich zu wenige Myon-Neutrinos. Der Befund lag seit Mitte der 1980er Jahre auf dem Tisch und hieß atmosphärische Neutrinoanomalie. Ernst genommen wurde er zunächst nicht. Die naheliegende Vermutung lautete, der Detektor unterscheide die Teilchenarten nicht sauber genug.

Der Kunstgriff: die Erde als Maßstab

Kajitas Beitrag war, die Frage anders zu stellen. Statt zu fragen, wie viele Myon-Neutrinos fehlen, fragte er, aus welcher Richtung sie fehlen.

Der Gedanke dahinter ist von großer Einfachheit. Ein Detektor tief unter der Erde empfängt Neutrinos aus allen Richtungen — aber die haben ganz unterschiedliche Wege hinter sich. Was von oben kommt, entstand rund 15 Kilometer über dem Detektor. Was von unten kommt, entstand auf der anderen Seite des Planeten und hat etwa 13.000 Kilometer zurückgelegt.

Ein und dieselbe Anlage misst damit gleichzeitig eine sehr kurze und eine sehr lange Strecke. Und da die Neutrinooszillation von der Weglänge abhängt, muss sich der Effekt als Abhängigkeit vom Einfallswinkel zeigen — wenn es ihn gibt.

Ein Detektorfehler hätte sich nicht so verhalten. Er hätte oben wie unten gleich gewirkt.

Die Entscheidung von 1998

Für die Antwort brauchte es einen größeren Detektor. Super-Kamiokande nahm 1996 den Betrieb auf: 50.000 Tonnen sehr reines Wasser, umgeben von über elftausend Photovervielfachern, 1.000 Meter unter dem Berg Ikeno.

Nach zwei Jahren Messzeit lag das Ergebnis vor. Von oben kam die erwartete Zahl an Myon-Neutrinos an. Von unten kam etwa die Hälfte. Elektron-Neutrinos zeigten kein solches Defizit — sie kamen aus beiden Richtungen wie berechnet.

Die Myon-Neutrinos waren auf dem langen Weg durch die Erde also nicht verschwunden. Sie hatten sich umgewandelt, vorwiegend in Tau-Neutrinos, die der Detektor nicht sah.

Kajita stellte den Befund im Juni 1998 auf der Tagung Neutrino 98 im japanischen Takayama vor. Zeitzeugen berichten, der Saal habe nach dem Vortrag minutenlang applaudiert — ungewöhnlich für eine Fachkonferenz.

Warum das so schwer wog

Der Nachweis der Oszillation hat eine Folge, die weit über die Neutrinophysik hinausreicht. Oszillieren kann nur, was Masse hat — und zwar unterschiedliche Massen für die verschiedenen Arten.

Das Standardmodell der Teilchenphysik hatte Neutrinos jahrzehntelang als masselos geführt. Es war die erfolgreichste Theorie der Physik, in Hunderten von Messungen bestätigt. Kajitas Ergebnis zeigte, dass sie an dieser Stelle unvollständig ist.

Das ist bis heute der einzige gesicherte Laborbefund, der über das Standardmodell hinausweist. Woher die Neutrinomassen kommen, ist offen; der Seesaw-Mechanismus ist der bekannteste Erklärungsversuch.

Danach

Kajita blieb der Grundlagenforschung treu, wechselte aber das Feld. Er leitet den Bau von KAGRA, einem japanischen Detektor für Gravitationswellen, der ebenfalls unter Tage in Kamioka liegt — in denselben Bergen, in denen die Neutrinos gemessen werden.

Von 2020 bis 2023 war er Präsident des Wissenschaftsrats Japans. In dieser Rolle äußerte er sich mehrfach zur Freiheit der Forschung und zur Verantwortung von Wissenschaftlern gegenüber der Gesellschaft.

Quellen

Super-Kamiokande-Kollaboration (Y. Fukuda u. a.): Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
Nobelstiftung: Nobelpreis für Physik 2015, Begründung und Nobelvortrag Takaaki Kajita.