Существование нейтрино спрогнозировал в 1930-е немецкий физик Вольфганг Паули, который этой частицей попытался объяснить очень странное явление. Во время бета-распада ядро меняет заряд, при этом рождается электрон или позитрон. С точки зрения закона сохранения энергии и импульса во всех распадах электрон должен вылетать с одной и той же скоростью. Однако эксперименты показали, что это не так: электроны на выходе имеют разные энергии.
Паули предположил, что в процессе деления ядра появляется еще одна частица. Она электрически нейтральна, поэтому электромагнитные приборы ее зафиксировать не могут. В так называемом трехчастичном распаде, когда ядро распадается на новое ядро, электрон и новую безмассовую частицу, энергия электрона однозначно не фиксируется. Законы сохранения энергии и импульса по-прежнему работают. Нейтрино удалось зарегистрировать лишь в конце 1950-х годов.
Как есть электроны и позитроны, частицы и античастицы — так есть нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино возникает в процессах распада, если появляется электрон, а нейтрино — если появляется позитрон, то есть происходит прямой бета-распад и обратный бета-распад.
Нейтрино очень тяжело экспериментально изучать. Они свободно проходят через все преграды. Чтобы остановить нейтрино, нужно построить стенку, например, из свинца, шириной от Солнца до следующей звезды. Так что остается только описанный выше опосредованный способ регистрации — по результатам взаимодействия нейтрино с ядром.
Но есть и плюс: так как для нейтрино нет преград, мы можем изучать свойства источника нейтрино вне зависимости от расстояния, на котором этот источник находится. Например, с помощью солнечных нейтрино исследуются процессы, происходящие на Солнце, причем это мониторинг в режиме реального времени. Тот же принцип действует и в случае с ядерным реактором: замеряя поток нейтрино, можно изучать процессы, которые там происходят.
С нейтрино связаны странные процессы: например, превращение нейтрино одного типа в нейтрино другого — это называется нейтринными осцилляциями.
В 2015 году Нобелевскими лауреатами по физике стали японец Такааки Кадзита и канадец Артур Макдональд, открывшие осцилляции нейтрино и тем самым подтвердившие наличие у этих частиц массы покоя.
Коллектив ученых, возглавляемым Макдональдом проводил иследования на детекторе нового типа — канадском SNO. Кадзита с коллегами изучал атмосферные нейтрино на установке Super-Kamiokande в Японии. В этих экспериментах наблюдались аномалии, которые не согласовались со стандартной моделью. Для объяснения полученных данных потребовалось создать теорию, кардинально изменившую наши представления о нейтрино. Согласно ей, одновременно существуют три типа нейтрино, обладающие разной массой. В результате хитрого квантово-механического эффекта вылетевшее из Солнца электронное нейтрино, долетает до Земли в виде мюонного, а мюонные атмосферные прилетали в детектор Super-Kamiokande в виде тау-нейтрино. Именно эти превращения одного вида нейтрино в другой и называются нейтринными осцилляциями. Они возможны, только если у нейтрино есть масса покоя, что является новой физикой, выходящей за рамки стандартной модели. За это открытие ученым и была вручена Нобелевская премия.
