Масатоси Косиба

В феврале 1987 года под японской горой Камиока сработал детектор, построенный для совсем другой задачи. Он поймал нейтрино от взрыва сверхновой — и это наблюдение открыло нейтринную астрономию. Через пятнадцать лет за него дали Нобелевскую премию по физике. Человек, который всё это придумал, начинал с ядерных фотоэмульсий и космических лучей, а детектор собирал из воды и фотоумножителей на километровой глубине.

От эмульсий к ускорителям

Масатоси Косиба родился 19 сентября 1926 года в Тоёхаси, в префектуре Айти. В 1951 году получил степень бакалавра в Токийском университете, затем магистра — за исследование космических лучей с помощью ядерной фотографической эмульсии. В 1953 году уехал в аспирантуру Рочестерского университета в США, где два года спустя защитил докторскую диссертацию по высокоэнергетическим явлениям в космических лучах. Научным руководителем был Мортон Каплон. Следующие несколько лет Косиба провёл в Чикаго и Токио, пока в 1962 году окончательно не вернулся в Токийский университет. С марта 1970 года работал там профессором, а в 1977 году основал при университете Лабораторию международного сотрудничества в области физики элементарных частиц — ныне Международный центр по физике элементарных частиц. В отставку вышел в 1987 году, после чего ещё десять лет преподавал в Университете Токай.

В 1950-х и 1960-х он занимался высокоэнергетическим космическим излучением и связанными с ним явлениями в верхних слоях атмосферы. В конце 1960-х обратился к ускорителям и принял участие в разработке электрон-позитронного коллайдера в Институте ядерной физики в Новосибирске. В 1972 году проект остановили. После этой неудачи Косиба начал сотрудничать с исследовательским центром DESY в Гамбурге, где его группа участвовала в эксперименте DASP (Double Arm Spectrometer) и в совместном японско-немецко-британском проекте JADE (Japan, Deutschland, and England). В его рамках удалось получить первые свидетельства существования глюонов. В 1980-е годы Косиба участвовал в эксперименте OPAL на Большом электрон-позитронном коллайдере в ЦЕРНе, а позже пропагандировал строительство в Японии электрон-позитронного коллайдера следующего поколения — Международного линейного коллайдера.

Вода, тысяча фотоумножителей и распад, которого не нашли

В начале 1980-х Косиба предложил эксперимент для регистрации предсказанного теорией распада протона. Установку назвали Камиоканде — Kamioka Nucleon Decay Experiment. В июле 1983 года детектор из 3000 тонн воды и 1000 фотоумножителей, расположенных на глубине 1000 метров под землёй, начал набирать данные. Сигнал от распада протона зарегистрировать не удалось. Уже осенью того же года Косиба выдвинул идею перестроить детектор в прибор для астрофизических нейтрино. Усовершенствованный детектор заработал в начале 1987 года.

И в феврале 1987 года поймал космические нейтрино от взрыва сверхновой 1987A: удалось зарегистрировать 12 нейтрино, 9 из них — в первые 2 секунды. Это было первым прямым экспериментальным доказательством справедливости механизма гравитационного коллапса звёзд, в частности теории нейтринного охлаждения. Наблюдение ознаменовало начало нейтринной астрономии. В 2002 году Косиба и Раймонд Дэвис получили за это половину Нобелевской премии по физике — «за создание нейтринной астрономии»; вторую половину получил Риккардо Джаккони.

Камиоканде регистрировал не только нейтрино из далёкого космоса, но и солнечные. Подтвердился дефицит регистрируемых нейтрино по сравнению с ожидаемым по теории строения Солнца потоком, а кроме того впервые была обнаружена аномалия атмосферных нейтрино: соотношение мюонных и электронных нейтрино, генерируемых в атмосфере, оказалось ниже ожидаемого. Объяснение этим эффектам дала теория осцилляций нейтрино, надёжно зарегистрированных в эксперименте Супер-Камиоканде — детекторе с 50 тысячами тонн воды, предложенном Косибой. За эту работу Нобелевскую премию по физике за 2015 год получил его ученик Такааки Кадзита.

Признание

Нобелевская премия по физике за 2002 год — не единственная награда Косибы. Он был членом Японской академии наук с 2002 года, иностранным членом Российской академии наук с 2003 года и Национальной академии наук США с 2005 года. Кавалер двух японских орденов Культуры — 1988 и 1997 годов. Среди других отличий — Федеральный крест заслуг Германии (1985), Мемориальная премия Нисины (1987), премия Асахи (1987), Академическая награда Академии наук Японии (1989), премия Бруно Росси Американского физического общества (1989), Особая премия Европейского физического общества (1996), премия Гумбольдта (1997), премия Фудзивары (1997), почётная степень Scuola Normale Superiore в Пизе (1999), почётный доктор естественных наук Гамбургского университета (1999), награда выдающегося учёного Рочестерского университета (2000), премия Вольфа по физике (2000), премия Пановски Американского физического общества (2002) и медаль Бенджамина Франклина (2003).

Что осталось на бумаге

Косиба оставил и научные публикации, по которым видно, как менялось его поле. В 1980 году в Physics Letters B вышла работа об наблюдении плоских трёхструйных событий в e+e--аннигиляции и свидетельстве глюонного тормозного излучения. В 1987 году в Physical Review Letters — статья об наблюдении нейтринного всплеска от сверхновой SN1987A. Там же появилась работа, доказывающая осцилляцию атмосферных нейтрино. А в 2004 году в «Успехах физических наук» напечатали его нобелевскую лекцию «Рождение нейтринной астрофизики».

Умер Масатоси Косиба 12 ноября 2020 года в Токио, в возрасте 94 лет.

Вопросы

Правда ли, что детектор Камиоканде строили для поиска распада протона?

Да. Косиба предложил его в начале 1980-х именно для регистрации предсказанного теорией распада протона. Сигнал найти не удалось, поэтому уже осенью 1983 года он предложил перестроить прибор в детектор астрофизических нейтрино.

Сколько нейтрино удалось поймать от сверхновой 1987A?

Двенадцать, из них девять — в первые две секунды. Это стало первым прямым экспериментальным доказательством механизма гравитационного коллапса звёзд.

За что Косиба получил Нобелевскую премию?

За создание нейтринной астрономии. В 2002 году он разделил половину премии по физике с Раймондом Дэвисом, вторую половину получил Риккардо Джаккони.

Кто продолжил его работу?

Его ученик Такааки Кадзита получил Нобелевскую премию по физике за 2015 год за работу на Супер-Камиоканде — детекторе с 50 тысячами тонн воды, который предложил Косиба.