2月间，小柴担任芝加哥大学物理系研究助理。其后至1963年10月间担任东京大学助理教授，几经升迁，于1987年升为荣誉教授，并代理芝加哥大学物理系高能物理与宇宙辐射实验室主任。其后十年在日本私立东海大学任教。2002年10月，小柴与雷蒙德·戴维斯、里卡尔多·贾科尼分享诺贝尔物理学奖。东京大学理学系研究科于2005年设置「」以纪念他的贡献。小柴屡获殊荣的工作集中在微中子，这是长期使科学家感到困惑的亚原子粒子。 自1920年代以来的假说是因为核聚变反应使太阳发光，从而将氢转化成氦并释放能量。后来的理论计算表