Takaaki Kajita: Die Richtung, die den Unterschied machte
Das atmosphärische Neutrinodefizit war Jahre vor 1998 in den Daten sichtbar, und es hatte niemanden überzeugt. Kajitas Beitrag war, die eine Größe hinzuzunehmen, die die Alternativerklärungen unhaltbar machte: woher jedes Neutrino kam - und damit, wie weit es vor seiner Ankunft gereist war.
Die Anomalie vor der Antwort
Kosmische Strahlung erzeugt beim Auftreffen auf die obere Atmosphäre Schauer, die Myon- und Elektron-Neutrinos in einem von der Theorie recht genau vorhergesagten Verhältnis enthalten: etwa zwei Myon-Neutrinos je Elektron-Neutrino. Mehrere Experimente, darunter Kamiokande, hatten weniger Myon-Neutrinos gemessen.
Das Ergebnis wurde nicht weithin geglaubt. Ein Verhältnis kann aus vielen uninteressanten Gründen falsch sein: Das Modell der Luftschauer könnte danebenliegen, der Detektor könnte Teilchenarten verwechseln, die Wirkungsquerschnitte könnten ungenau sein. Ein Defizit in einem Verhältnis ist ein Hinweis und mehr nicht.
Gebraucht wurde eine Größe, die kein plausibler systematischer Fehler nachahmen kann. Diese Größe war die Entfernung. Neutrinos, die direkt über dem Detektor in der Atmosphäre entstehen, haben bei ihrer Ankunft rund fünfzehn Kilometer zurückgelegt. Neutrinos von der gegenüberliegenden Seite des Planeten rund dreizehntausend.
Super-Kamiokande konnte die Richtung jedes Ereignisses rekonstruieren, weil ein Myon eine lange gerade Tscherenkow-Spur hinterlässt, deren Ausrichtung messbar ist. Damit wurde aus der Frage nach dem Wie viele die Frage nach dem Wie viele in Abhängigkeit von Wie weit.
Takayama, Juni 1998
Die Antwort war sauber. Myon-Neutrinos aus dem Zenit erschienen in der erwarteten Zahl. Myon-Neutrinos, die die Erde durchquert hatten, erschienen mit etwa der halben Rate. Das Defizit veränderte sich mit der Weglänge genau so, wie es die Oszillation vorhersagt.
Keine Detektorsystematik erklärt eine Abhängigkeit von der Ankunftsrichtung dieser Form, denn der Detektor weiß erst nach der Rekonstruktion, woher ein Neutrino kam. Die Erde absorbiert sie auch nicht - für Neutrinos dieser Energie ist sie nahezu durchsichtig.
Kajita legte das im Juni 1998 auf der Konferenz Neutrino '98 in Takayama vor, und es wurde rasch anerkannt, was für ein dem Standardmodell widersprechendes Ergebnis ungewöhnlich ist. Anerkannt wurde es, weil die Größe, die das Signal trug, die eine war, die sich nicht vortäuschen ließ.
Die Quantenmechanik lässt Oszillation nur zu, wenn sich die Massenzustände in ihrer Masse unterscheiden - mindestens zwei von ihnen müssen also ungleich null sein. Das Standardmodell in seiner ursprünglichen Fassung hatte überhaupt keinen Mechanismus, Neutrinos Masse zu geben; das Ergebnis war damit der erste Laborbeleg für Physik jenseits davon.
Die andere Hälfte der Antwort
Kajitas Ergebnis zeigte, dass Myon-Neutrinos verschwanden. Es zeigte nicht, in was sie sich verwandelten, denn Super-Kamiokande konnte Tau-Neutrinos bei diesen Energien nicht wirksam nachweisen.
Die ergänzende Messung kam vom Sudbury Neutrino Observatory, das mit schwerem Wasser sowohl Elektron-Neutrinos als auch die Summe aller drei von der Sonne ankommenden Arten zählte. Die Summe passte zum Sonnenmodell, der Elektronanteil betrug ein Drittel davon: Die fehlenden Neutrinos hatten die Art gewechselt und waren nicht verschwunden.
Zwei Experimente, verschiedene Quellen, verschiedene Techniken, verschiedene systematische Fehler, eine Schlussfolgerung. Diese Übereinstimmung ist der Grund, warum das Ergebnis Bestand hat und warum der Nobelpreis 2015 zwischen Kajita und Arthur McDonald geteilt wurde.
Sie löste zugleich ein dreißig Jahre altes Problem, das keines der beiden Experimente hatte lösen wollen: Raymond Davis hatte den solaren Neutrinofluss die ganze Zeit richtig gemessen.
Seither
Kajita ist Professor an der Universität Tokio und leitet deren Institute for Cosmic Ray Research, das die Anlagen in Kamioka betreibt. Er hat außerdem Arbeiten an KAGRA geleitet, einem Gravitationswellendetektor im selben Minenkomplex.
Super-Kamiokande läuft weiter, und der Nachfolger Hyper-Kamiokande entsteht mit etwa fünffacher Masse, ausgelegt auf die Messung, ob Neutrinos und Antineutrinos unterschiedlich oszillieren.
Die Messung von 1998 gehört zu den ganz wenigen bestätigten Rissen im Standardmodell. Alles auf der Seite zur Neutrinomasse und das gesamte Langbasislinien-Programm, zu dem DUNE und JUNO gehören, folgt daraus.
Häufige Fragen
Was maß Kajita 1998?
Dass Myon-Neutrinos von der Gegenseite der Erde nur etwa halb so zahlreich ankamen wie solche aus dem Zenit. Da der einzige Unterschied die zurückgelegte Strecke war, mussten sie unterwegs ihre Art gewechselt haben.
Warum war die Richtung die entscheidende Größe?
Weil keine Detektorsystematik eine Abhängigkeit von der Ankunftsrichtung nachahmen kann. Der Detektor weiß erst nach der Rekonstruktion, woher ein Neutrino kam, und die Erde absorbiert Neutrinos dieser Energie nicht.
Warum setzt Oszillation Masse voraus?
Weil die verschiedenen Massenzustände quantenmechanische Phase mit unterschiedlicher Rate ansammeln müssen, damit die Mischung im Flug ihre Identität ändert. Das verlangt unterschiedliche Massen, mindestens zwei müssen also ungleich null sein.
Wie verhält sich das zum Sudbury-Ergebnis?
Kajita zeigte verschwindende Myon-Neutrinos; Sudbury zeigte, dass solare Neutrinos als andere Arten ankamen statt zu verschwinden. Zwei Quellen, zwei Techniken, zwei Systematiken, eine Schlussfolgerung. Sie teilten sich den Nobelpreis 2015.
Woran arbeitet er heute?
Er ist Professor an der Universität Tokio und leitet deren Institute for Cosmic Ray Research. Er hat außerdem Arbeiten an KAGRA geleitet, einem Gravitationswellendetektor im selben Minenkomplex.
