Нейтри́но — елементарні частинки, стабільні нейтральні лептони з напівцілим спіном, що беруть участь лише в слабкій і гравітаційній взаємодіях — надзвичайно мляво взаємодіють з речовиною: довжина вільного пробігу нейтрино з енергією 1 МеВ у свинці становить ~ 1018 м (~ 100 світлових років). Назва нейтрино вказує на електричну нейтральність цих частинок, а зменшувальний суфікс з'явився (-ino), оскільки довший час їхні маси вважали рівними нулю, однак в кінці 20 ст. було експериментально встановлено, що вони точно не нульові, хоча й дуже малі в порівнянні з іншими елементарними частинками.
Розрізняють електронне, мюонне і тау-лептонне нейтрино. Ці типи мають відповідники серед важчих лептонів - електрони, мюони та тау-лептони відповідно. Нейтрино й відповідні їм антинейтрино відіграють велику роль у перетвореннях елементарних частинок, у глобальних космогонічних процесах. Нейтрино притаманні осциляції (перетворення одних нейтрино на інші під час їхнього руху), саме ця властивість допомогла встановити що їхні маси ненульові. Згідно з експериментальними обмеженнями станом на 2024 рік сума мас всіх видів нейтрино не перевищує 0.12 еВ.
Історія відкриття Розвиток квантової механіки в 20-х роках XX ст. призвів до розуміння дискретності енергетичних рівнів в атомному ядрі: це припущення висловила австрійський фізик Ліза Майтнер 1922 року. Виходячи з цих міркувань, спектр частинок, що вилітають при розпаді ядра, мав бути дискретним, і показувати енергії, рівні різницям енергій рівнів, між якими при розпаді відбувається перехід. Таким, наприклад, є спектр альфа-частинок при альфа-розпаді.
Однією з основних проблем в ядерній фізиці 20-30-х років XX ст. була проблема бета-розпаду: спектр електронів, що утворюються при β-розпаді, виміряний англійським фізиком Джеймсом Чедвіком ще 1914 року, мав неперервний характер, тобто, з ядра вилітають електрони з найрізноманітнішими енергіями.
Отже, неперервність спектра електронів β-розпаду ставила під сумнів закон збереження енергії. Питання стояло настільки гостро, що 1931 року знаменитий данський фізик Нільс Бор на Римській конференції виступив з ідеєю про незбереження енергії. Проте було й інше пояснення — втрачену енергію відносить якась невідома і непомітна частинка.
Пропозиція Паулі Гіпотезу про існування частинки, яка надзвичайно слабо взаємодіє з речовиною, висунув 4 грудня 1930 року Вольфганг Паулі у неформальному листі учасникам фізичної конференції в Тюбінгені: ...маючи на увазі ... неперервний β-спектр, я зробив відчайдушну спробу врятувати «обмінну статистику» і закон збереження енергії. А саме, є можливість того, що в ядрах існують електрично нейтральні частинки, які я називатиму «нейтронами» і які мають спін 1/2. Маса «нейтрона» за порядком величини повинна бути порівнянною з масою електрона і в усякому разі не більше від 0,01 маси протона. Неперервний β-спектр тоді став би зрозумілим, якщо припустити, що при β-розпаді разом з електроном вилітає ще й «нейтрон» таким чином, що сума енергій «нейтрона» і електрона залишається сталою.
Я визнаю, що такий вихід може здатися, на перший погляд, маловірогідним. Проте не ризикнувши, не виграєш; серйозність положення з неперервним β-спектром добре проілюстрував мій поважний попередник пан Дебай, який недавно заявив мені в Брюсселі: «Про ... це краще не думати зовсім, як про нові податки».
(«Відкритий лист групі радіоактивних, що зібралися в Тюбінгені», цит. за М. П. Рекало, Нейтрино.)
Втім, нейтроном було названо іншу елементарну частинку.
На 7 Сольвеєвському конгресі 1933 року в Брюсселі Паулі виступив з рефератом про механізм β-розпаду з участю легкої нейтральної частинки зі спіном 1/2, в якому, з посиланням на пропозицію Фермі, назвав гіпотетичну частинку «нейтрино». Цей виступ був фактично першою офіційною публікацією, присвяченою нейтрино.
Безпосереднє детектування Нейтрино вперше спостерігала 1956 року група Клайда Ковена та Фредеріка РайнесаДжерело відтворює статтю 1956 року. за механізмом, який 1942 року запропонував Ван Ганьчан. За це відкриття Фредерік Райнес отримав Нобелівську премію з фізики 1995 року. Спостерігалися антинейтрино, утворені в ядерному реакторі. Вони взаємодіють з протонами за реакцією: + → + .
Надалі утворений позитрон швидко анігілює з електроном, й утворюються два гамма-кванти. Отже, експериментально потрібно зафіксувати подію, коли одночасно детектується нейтрон та два гамма-кванти.
Леон Ледерман, Мелвін Шварц та Джек Стейнбергер 1962 року вперше спостерігали мюонне нейтрино, за що 1988 року отримали Нобелівську премію. Про реєстрацію Тау-нейтрино повідомив 2000 року проєкт у Фермілабі.
Також Тау-нейтрино вдалося ідентифікувати завдяки унікальним детекторам, розміщеним на дослідницькій станції IceCube, розташованій на глибині 1,5 км під поверхнею антарктичних льодовиків. Загалом, на початок 2024 року, було виявлено лише 7 таких частинок, проте це стало значним досягненням у вивченні космічних феноменівВ крижаних глибинах Антарктиди виявили невловимі космічні частинки тау-нейтрино. // Автор: Андрій Неволін. 17.03.2024.
Відкриття космічних нейтрино Реймонд Девіс та Масатосі Косіба отримали Нобелівську премію 2002 року за спостереження нейтрино від наднових зір, що заклало початок нейтринної астрономії. Протягом розвитку нейтринної астрономії нейтрино спостерігалися від Сонця і наднової 1987 року у Великій Магеллановій Хмарі. Крім того, установка IceCube спостерігала нейтрино високих енергій, які можуть бути космогенними. Потоки нейтрино виникають при поширенні протонів надвисоких енергій, що утворюються в астрофізичних (космологічних) джерелах. Такі протони не можуть досягати наземних детекторів через обмеження ГЗК. При їх взаємодії з реліктовим випромінюванням утворюються піони, розпади яких містять так звані космогенні (тобто, утворені космічними променями) або ГЗК-нейтрино. У різноманітних оглядах космогенних нейтрино їхня енергія вважається рівною 10 % від енергії космічного променя.Теоретики припускають існування великої кількості гіпотетичних нейтральних ферміонів подібних до нейтрино; стерильні нейтрино, калібрино, нейтраліно та інші. Їх відкриття може розв'язати проблему темної матерії. Важливим типом нейтраліно є гравітино.
В 2023 році Земля прийняла на себе удар нейтрино з енергією, яка у 100 000 разів перевищувала показники енергетичної спроможності Великого адронного колайдера (LHC)Земля прийняла на себе вибух чорної діри: удар залишився непоміченим для людей. // Автор: Андрій Неволін. 04.02.2026.
Властивості та реакції
Спіральність Нейтрино має спін 1/2. Проте експериментально детектуються тільки нейтрино з певною спіральністю, тобто тільки нейтрино з однією проєкцією спіну на напрямок руху, який задається імпульсом. Нейтрино мають ліву спіральність, антинейтрино — праву спіральність. Ліва спіральність нейтрино означає те, що його спін направлений протилежно до імпульсу. Така особливість є унікальною для нейтрино, адже всі інші елементарні частники, кварки та важчі лептони, можуть мати спіральність обох значень. Існування правих нейтрино (та лівих антинейтрино) досі є лише гіпотетичною, зокрема, припускають що такі нейтрино є "стерильними", тобто взаємодіють з матерією ще набагато слабше, в чому і полягає причина їх невиявлення на сьогодні.
Аромат і маса
Кожному зарядженому лептону відповідає своя пара нейтрино/антинейтрино: електрон/позитрон — електронне нейтрино/електронне антинейтрино; мюон/антимюон — мюонне нейтрино/мюонне антинейтрино; тау-лептон/антитау-лептон — тау-нейтрино/тау-антинейтрино.
Квантове число, що описує цю відповідність називають ароматом () нейтрино.
Маса нейтрино вкрай мала в порівнянні з іншими елементарними частинками. Експериментальні оцінки на травень 2012 року, отримані в праці австралійської колаборації WiggleZ на англо-австралійському телескопі, встановили верхню межу маси для всіх ароматів нейтрино на рівні 0,29 еВ, що в мільйони разів менше маси електрона. В 2024 році сумарні спостережні обмеження на суму мас із детекторних експериментів та космології складають 0.12 еВ.
Осциляції нейтрино
В процесі свого руху нейтрино змінюють свій аромат, постійно перетворюючись з одного виду в інший. Наприклад, електронне нейтрино, що утворюється в реакції бета-розпаду, може взаємодіяти у віддаленому детекторі як мюонне або тау-нейтрино, що визначається ароматом зарядженого лептона, що утворюється в детекторі. Це так звані осциляції нейтрино, які відбуваються тому, що три компоненти масового стану утвореного аромату рухаються з дещо різними швидкостями, так що їхні квантово-механічні хвильові пакети розвивають відносні фазові зсуви, які змінюють те, як вони поєднаються при наступній взаємодії, створюючи змінну суперпозицію трьох ароматів. На користь існування осциляцій свідчать спостереження сонячних нейтрино, кутової анізотропії атмосферних нейтрино, а також проведені на початку 21 століття експерименти з реакторними (див. ) і прискорювальними нейтрино. Крім того, існування осциляцій нейтрино, імовірно, безпосередньо виявлено експериментами в нейтринній лабораторії в Садбері (Нобелівська премія з фізики за 2015 рік). Підтвердження осциляцій нейтрино потребує змін у Стандартній моделі елементарних частинок.
Ефект Міхеєва — Смирнова — Вольфенштейна
Нейтрино, що проходять крізь речовину, загалом проходять процес, аналогічний проходженню світла крізь прозорий матеріал. Цей процес неможливо безпосередньо спостерігати, оскільки він не створює іонізуючого випромінювання, однак внаслідок нього виникає ефект Міхеєва — Смирнова — Вольфенштейна: осциляції нейтрино резонансно підсилюються у середовищах зі змінною густиною електронів, зокрема, у речовині Сонця. Лише невелика частина енергії нейтрино передається матеріалу.
Цей ефект є важливим для розв'язання проблеми сонячних нейтрино: початково, розрахунок очікуваного потоку проводився без врахування ефекту, тому потік очікувався нижчий, ніж спостережений. Однак після врахування ефекту, отриманий потік вдалося узгодити із модельованими термоядерними реакціями в сонячному ядрі.
Дослідження
Існує кілька активних напрямків досліджень, пов'язаних з нейтрино, а саме: вимірювання безпосередньо трьох значень маси нейтрино, що характеризують відповідні масові стани; вимірювання кутів змішування нейтрино, тобто, елементів PMNS-матриці, що характеризують силу участі в слабкій взаємодії різних видів нейтрино. вивчення ступеня порушення CP-інваріантності в лептонному секторі (що може мати стосунок до лептогенезу в ранньому Всесвіті); вивчення фізичних процесів, що не вписуються в Стандартну модель фізики елементарних частинок, таких як безнейтринний подвійний бета-розпад, який би свідчив про порушення закону збереження числа лептонів. пошук стерильних нейтрино, в т.ч. як кандидатів на роль частинок темної матерії
Джерела нейтрино
В цілому, реакції слабкої взаємодії можуть супроводжуватись утворенням нейтрино чи антинейтрино, зокрема, вони утворюються при бета-розпаді. За походженням нейтрино можна поділити на такі категорії: Штучного походження. Це в першу чергу реакторні нейтрино: продукти розпаду урану зазвичай є радіоактивними, в тому числі, їм властива бета-радіоактивність. Включаючи подальші розпади, середній ядерний поділ вивільняє близько 200 МеВ енергії, з якої приблизно 95,5% залишається в ядрі у вигляді тепла, а приблизно 4,5% (або близько 9 МеВ) випромінюється у вигляді антинейтрино.Також сюди входять акселераторні та колайдерні нейтрино. Геологічні - це нейтрино, що утворюються разом із природною фоновою радіацією. Їхніми джерелами є розпади природних радіоактивних хімічних елементів в корі, мантії та ядрі Землі. Атмосферні - це нейтрино виникають внаслідок взаємодії космічних променів з атомними ядрами в атмосфері Землі, створюючи зливи частинок, багато з яких нестабільні та утворюють нейтрино під час розпаду.