نخستین تصویر از یک نوترینو در یکاتاقک حباب پر از هیدروژن مایع درآزمایشگاه ملی آرگون در ۱۳ نوامبر ۱۹۷۰. برخورد یک نوترینو با یک پروتون . واکنش در سمت راست تصویر رخ داد - جایی که سه مسیر به هم می رسند. پرتو نوترینو از تجزیه پیون‌های با بار مثبت حاصل از بمباران یک هدف بریلیوم با پرتو پروتون به دست آمد.
نوترینو (بهانگلیسی:neutrino) یکذره بنیادی است که از نظر الکتریکی خنثی بوده و به ندرت وارد برهمکنش می‌شود.[۲]نوترینو به معنی «کوچک خنثی»، معمولاً با سرعتی نزدیک بهسرعت نور حرکت می‌کند، از نظر الکتریکی خنثی بوده و قادر است از درون مواد تقریباً بدون هیچ برهمکنشی عبور نماید. نوترینوها دارایجرم بسیار کوچک، اما غیر صفر هستند. نوترینو با حرف یونانی (نو) نمایش داده می‌شود.
از آنجایی که نوترینوهابار الکتریکی ندارند، تحت تأثیرنیروهای الکترومغناطیس قرار نمی‌گیرند.[۳] نوترینوها تنها تحت تأثیرنیروی هسته‌ای ضعیف که در مقایسه دارای بُرد بسیار کوتاه‌تری از نیروی الکترومغناطیس است، قرار می‌گیرند؛ لذا قادر هستند مسافت‌های بسیار طولانی را درون مواد بدون برهمکنش طی نمایند.
بیشتر نوترینوهایی که از زمین عبور می‌کنند، از خورشید ساطع می‌شوند. در هر ثانیه از هر سانتیمتر مربع زمین، در حدود ۶۵ میلیارد (۱۰۱۰×۶٫۵)نوترینوی خورشیدی عبور می‌کند.[۴]
هنگامی کهجیمز چادویک تحقیقات خود را بر رویپرتو بتا آغاز کرد، مصمم شد تا انرژی ذرات بتا را اندازه بگیرد. او از خود پرسید: آیا همگی آن‌ها با یک میزان انرژی بیرون می‌آیند، یا انرژی آن‌ها توزیع شده‌است؟رادرفورد و دیگر پژوهشگران کوشیده بودند تا به این پرسش پاسخ دهند، ولی نتایج گمراه‌کننده بود. چادویک به منظور اندازه‌گیری انرژی واندازه حرکت الکترون‌هایی که ازرادیوم خارج می‌شدند، آزمایشی طراحی کرد که در آن آهنربایی ذرات را از مسیر منحرف می‌کرد و با اندازه‌گیری میزان انحراف توانست اندازه حرکت را به‌دست آورد. وی از یک شمارشگر تخلیه الکتریکی شبیهشمارشگر گایگر استفاده کرد. اهمیت کشف چادویک این بود که نتایج آزمایش‌های او نشان می‌دادند اصلپایستگی انرژی دیگر رعایت نمی‌شود. برهمکنش مربوطه چنین بود:
اتمرادیواکتیو پیش از واپاشی و همان اتم بعد از واپاشی است. انرژی این الکترون می‌تواند از تقریباً صفر تا یک حداکثر معین باشد. انرژی کلی، منجمله انرژی جرم سکون آن، باید با کل انرژی برابر باشد. چنان‌که دیده شد نسبت انرژی به انرژی الکترون برخی اوقات بسیار بالا و گاهی پایین است و تقریباً هیچ بستگی ندارد. پس در معادله موازنه ایجاد نمی‌شود. آیا ذره غیرقابل دیدی منتشر می‌شود؟ این آزمایش‌ها به دلیلجنگ جهانی اول متوقف شد. پس از جنگ فردی به نامچارلز الیس به گروه رادرفورد پیوست. او وویلیام وستر روشی برای به‌دست آوردن انرژی‌ای که در گذار از به حاصل می‌شد، اندیشیدند. شگردشان این بود که بگذارند انرژی منتشر شده،استوانه بزرگی ازسرب را که کاملاً عایق شده بود، گرم کرده و درجه حرارت سرب را با دستگاه حساسترموکوپل که قادر است تغییرات کوچک دما را نشان دهد، اندازه بگیرند. نتیجه قطعیت داشت. هیچ عامل گرم‌کننده دیگری بیرون نمی‌آمد. این انرژی گمشده اثری از خود باقی نمی‌گذاشت و توضیحی وجود نداشت.مسئله انرژی گم شده در تابشپرتو بتا چنان شدت گرفت که در سال ۱۹۲۹نیلز بور پیشنهاد کرد که شاید اصلپایستگی انرژی در حوزه هسته بکار نیاید. توضیح انرژی گمشده باید در انتظارولفگانگ پائولی باقی می‌ماند. او نمی‌توانست عقیده بور مبنی بر فروریختن اصل پایستگی را بپذیرد و برایگذر از این تنگنا در سال ۱۹۳۰ وجود ذره جدیدی را پیشگویی کرد که از این برهمکنش بیرون می‌آید و از خود در کالریمتر الیس نه مسیری و نه حرارتی باقی می‌گذارد. این ذره بایستی بدون بار و برخوردار از قدرت نفوذ بالا باشد. بدینسان پائولی ذره‌ای را کهانریکو فرمی بعدهانوترینو نام گذاشت، پیشگویی کرد. به این ترتیب، واکنش واپاشی بتا چنان‌که در سال ۱۹۳۹ فرمی آن را به چاپ رسانید، چنین است:
۲۵ سال باید می‌گذشت تا نوترینو مستقیماً ردیابی شود. اما خیلی پیش از آن ایده وجود نوترینو به طورکلی به سبب استفاده از اصلپایستگی انرژی، غیرمستقیم پذیرفته شده بود.[۵]
امروزه رابطه فوق را درواپاشی بتا (نوع−β) به شکل زیر می‌شناسیم که در آن یکنوترون () به یکپروتون ()، یکالکترون () و یک پادنوترینوی الکترونی () واپاشی می‌کند:
پادنوترینوها اولین بار به‌واسطه برهمکنش آن‌ها با پروتون‌ها در یک مخزن ۲۰۰ لیتری آب در آزمایشکووان ورینز در سال ۱۹۵۶ شناسایی شدند. در این آزمایش فرض بر این بود که در واپاشی بتا، پادنوترینوی الکترونی ()، باپروتون () وارد برهمکنش شده و باعث به وجود آمدن یکنوترون () و یکپوزیترون () (پادذره الکترون) می‌شوند:
در این آزمایش چشمه نوترینوها رآکتور هسته‌ای نیرومندی بود که در آن نوترینوها در ضمن واپاشی بتا از شکافت اورانیوم، به میزان ۱۰۱۳×۵ نوترینو در هر ثانیه و در هر سانتیمتر مربع تولید می‌شدند.[۶] بعد از ماه‌ها آزمایش، آن‌ها در حدود سه نوترینو در هر ساعت را توسط آشکارسازهای خود که تعداد آن‌ها ۱۱۰ عدد بود، شناسایی کردند.
در سال ۱۹۱۴جیمز چادویک به مسئله ابهام‌آمیز مربوط به انرژی حرکتی ذراتی که از موادرادیواکتیو صادر می‌شدند، برخورد کرد.
در سال ۱۹۳۰ ایده نوترینو هنگامی به دنیا آمد کهولفگانگ پاولی چاره‌ای برای حفظ اصلپایستگی انرژی در تولیدذرات بتا اندیشید. پاولی هنگامی که برای نخستین بار تئوری خود را عرضه داشت،نوترون هنوز کشف نشده بود!
در سال ۱۹۵۶، ۲۵ سال پس از اینکه پاولی امکان وجود نوترینو را پیشنهاد کرده بود، و ۴۲ سال پس از اینکه ابهامات مربوط بهپرتو بتا مطرح گردید،کلاید کووان وفردریک رینز رسماً اعلام کردند که وجود نوترینو بالاخره به اثبات رسید.
در سال ۱۹۶۲ دومین نوع نوترینو یعنینوترینوهای میون کشف گردیدند.
بیان نمودند که اگر نوترینوها دارای جرم غیر صفر باشند آنگاه می‌توانند از یک نوع به نوع دیگر تغییر نمایند.[۷] بنابراین نوترینوهای خورشیدی گمشده، می‌توانند نوترینوهای الکترونی باشند که در طول مسیر خود به سوی زمین به نوعی دیگر تغییر یافته‌اند و از دید آشکارسازها پنهان می‌مانند. تا پیش از این عقیده عمومی بر این رایج بود که نوترینوها دارای جرم صفر هستند.
در سال ۱۹۷۸ نیاز به وجود نوع سوم آن بنامنوترینوهای تاو اعلام شد؛ ولی تا ۱۹۹۸، یعنی تا ۲۰ سال پس از آن، مشاهده آن هنوز امکان‌پذیر نشده بود.
در سال ۱۹۹۸ تیم تحقیقاتیسوپر کامیوکانده خبر از قرائن و شواهدی دربارهٔ نوترینوهایی بدون جرم صفر دادند.[۸]
در سال ۲۰۱۰ تیم تحقیقاتی INFN در گرن‌ساسو ایتالیا، که بر رویآشکارساز اپرا کار می‌کنند، مشاهده کردند که تعدادی از نوترینوهایی که ازسرن گسیل شدند و از نوع نوترینوی میونی بودند، در طول سفر از لابراتوارهای سرن واقع درژنو با عبور از تونلی به طول ۷۳۰ کیلومتر، به نوترینوهای تاو تبدیل شدند (نوسان کردند و تغییر طعم دادند). نتایج این نوسان اثبات کرد که حداقل یکی از این سه نوع نوترینو می‌تواند جرم داشته باشد.[۹]
در سال ۲۰۱۱ تیم تحقیقاتیآشکارساز اپرا اعلام نمودند که مشاهدات آن‌ها نشان می‌دهد که سرعت نوترینوها از سرعت نور نیز فراتر می‌روند. اما مدتی بعد خود مرکز سرن اصلاحیه‌ای در مورد نتایج اعلام شده صادر و موضوع را منتفی اعلام کرد و ناشی از خطا در سامانهٔ GPS دانست.
اکنون دانشمندان به دنبال مطالعهٔ دقیق تر این ذرات هستند و یک پروژه فیزیک را معرفی کرده‌اند که «یک و نیم میلیارد دلار»، هزینه خواهد داشت.[۳]
پادنوترینوپادذره نوترینو است که درواپاشی بتا ایجاد شده و از نظر بار الکتریکی خنثی است. مشاهدات مربوط بهنوسان نوترینو نشان داده‌است که پادنوترینوها دارای جرم هستند. از آنجایی که نوترینوها و پادنوترینوها ذرات خنثی هستند، این امکان وجود دارد که هردوی آن‌ها در واقع یک ذره باشند. ذراتی که دارای چنین مشخصه‌ای هستند، به عنوانذرات مایورانا شناخته می‌شوند. اگر نوترینوها ذرات مایورانا باشند آنگاهواپاشی بتای دوتایی بدون نوترینو امکان‌پذیر خواهد بود.
پپش از ظهور ایدهنوسان نوترینو (تغییر طعم)، عموماً سرعت نوترینو برابرسرعت نور در نظر گرفته می‌شد. موضوعسرعت نوترینو بستگی مستقیم بهجرم آن دارد. براساس قانوننسبیت خاص اگر نوترینوها بدون جرم هستند آنگاه باید با سرعت نور حرکت نمایند و درصورتی که دارای جرم باشند، دیگر نمی‌توانند به سرعت نور برسند.
در تاریخ ۲۳ سپتامبر ۲۰۱۱ (۱ مهر ۱۳۹۰)، تیم تحقیقاتیآشکارساز اپرا اعلام نمودند که مشاهدات آن‌ها نشان می‌دهد که سرعت نوترینوها از سرعت نور نیز فراتر می‌روند. مشاهدات انجام شده در گرن‌ساسو ایتالیا، بر روی ۱۵۰۰۰ نوترینو گسیل شده ازسرن واقع در ژنو پس از عبور از تونلی به طول ۷۳۰ کیلومتر، بیانگر این است که سرعت نوترینوها در این آزمایش ۰٫۰۰۲٪ (۲۰ واحد در میلیون) بالاتر از سرعت نور بوده‌است. با این وجود، تیم تحقیقاتیسرن در یافته خود محتاط بودند و آن را به بوته آزمایش دیگر دانشمندان گذاشتند.[۱۰] مدتی بعد اما خود مرکز سرن اصلاحیه‌ای در مورد نتایج اعلام شده صادر و موضوع را منتفی اعلام کرد. علم فیزیک مدرن پس از تئورینسبیت خاصآلبرت انیشتین، سرعتی بالاتر ازسرعت نور را نمی‌شناسد و در حقیقت هم جز با یک تغییر کامل در پارادایم‌های علمی پذیرش چنین نتایجی ممکن نیست. بررسی‌ها نشان داد که موضوع به سادگی مربوط به تنظیمات ساعت‌های دونقطه سنجش از مسافرت نوترینوها بوده‌است.
ارزیابی شتابزده پژوهشگران مرکز تحقیقاتیسرن، پیش از این که باعث تغییر قوانینفیزیک شود، باعث جدی‌تر شدن نظارت بر تجهیزات خواهد شد، چرا که سخن از خطای انسانی در نتیجه‌گیری عجیب آن‌ها به میان آمده و به نظر نمی‌رسد که نوترینوهای مورد نظر آنان سرعتی بیشتر ازنور داشته‌اند.براساس قانون نسبیّت خاص اگر نوترینوها بدون جرم هستند باید با سرعت نور حرکت نمایند و درصورتی که دارای جرم باشند (دارای جرم بسیار کوچک، اما غیر صفر)، دیگر نمی‌توانند به سرعت نور برسند.
گویا مشکلات در آزمایش به نحوه استفاده ازسامانهٔ موقعیت‌یاب جهانیجی‌پی‌اس[۱۱] برای همزمان کردن ساعت‌های اتمی هر دو سوی این مسیر برمی‌گشته‌است. گذر زمان در ساعت‌ها بین رسیدنسیگنال سنکرون‌کننده باید در نظر گرفته می‌شد و احتمالاً این کار به درستی انجام نشده و چه بسا یک اتصال مشکل‌دار بینسیگنالجی‌پی‌اس و ساعت اصلی وجود داشته‌است. خطا در نوسان‌سازی که برای اعمال برچسب‌های زمانی برای سنکرون کردنجی‌پی‌اس به کار رفته (اتصال دو شبکه کاملاً مجزا به طریقی که هیچ نوع شدت جریان ضربه‌ای قابل ملاحظه‌ای ایجاد نشود)، می‌تواند منجر به اشتباه در برآورد زمان سفر نوترینوها و اضافه‌تر محاسبه شدن این زمان شده باشد.[۱۲]همزمان کردنساعت‌ها به دلیل اثراتنسبیت خاص و عام هم می‌تواند به خطایی از مرتبهٔ چند دهنانو ثانیه منجر بشود که به اشتباه به سرعت بیش ازسرعت نور تعبیر شده‌است.[۱۳]
درمدل استاندارد ذرات بنیادی فرض شده که نوترینوها بدون جرم هستند و این موضوع عقیده رایج تا دهه هفتاد میلادی بود.
در دههٔ ۹۰ میلادی داده‌های برآمده از نوترینوهای خورشیدی و جوی، گواهی تجربی بر جرمدار بودن نوترینو نشان دادند؛ ولی گمانهٔ جرمدار بودن نوترینو و پژوهش پدیدار شناختی آن به دههٔ ۷۰ میلادی بازمی‌گردد. در دههٔ ۷۰ و ۸۰ میلادی بررسی‌های بسیاری با گمانهٔ جرمدار بودن نوترینو بر پایهٔ نظریه‌های پیمانه‌ای انجام شد.جرمدار بودن نوترینوها به همانندی بسیار زیاد آن‌ها به کوارک‌ها انجامیده‌است. از این رو آمیختگی بین طعم‌های گوناگون نوترینو و بنابراین پدیدهٔ نوسانات نوترینو شدنی می‌گردد. با توجه به صفر بودن جرم نوترینو درمدل استاندارد ذرات بنیادی مهم‌ترین پیامد گواه‌های تجربی مبنی بر جرمدار بودن نوترینو آن است که باید به سوی فیزیک فرای مدل استاندارد برویم.
در سال ۱۹۹۸ نتایج تحقیقات در آشکارساز نوترینویسوپر کامیوکانده مشخص نمود که نوترینوها می‌توانند از یک طعم به طعم دیگر نوسان نمایند، این موضوع مستلزم آن است که آن‌ها باید جرم غیر صفر داشته باشند.[۱۴] این ایده اولین بار در سال ۱۹۶۸ توسطپونته‌کورو در پی ابهامات به وجود آمده در اندازه‌گیری تعداد نوترینوهای خورشیدی عبوری از زمین، مطرح شد. در سال ۲۰۱۰آشکارساز اپرا تغییر طعم نوترینوهای میونی به نوترینوهای تاو را ثبت نمود.
آکادمی سلطنتی علوم سوئد در اطلاعیه‌ای در روز ۱۴ مهر (۶ اکتبر)، اعلام کرد که تکاکی کاجیتا، فیزیکدان ژاپنی، و آرتور بی. مکدونالد، فیزیکدان کانادایی به خاطر دستاورد تحقیقاتی خود در مورد نوترینوها برندهجایزه نوبل شده‌اند.
کشفیات این دو فیزیکدان استنباط بشر از ماهیت نوترینو را تغییر داد و می‌تواند در درک از کائنات بسیار مؤثر باشد. این دو پژوهشگر کشف کردند که نوترینوها، که ازذرات بنیادی هستند، دارای جرم هستند. آن دو با شناسایی پدیده جدید «نوسان نوترینو» تحولی اساسی درفیزیکذرات بنیادی انجام داده‌اند.
خورشید در هر ثانیه ۱۰۳۸×۲ نوترینو از خود ساطع می‌کند.
در هر ثانیه از هر سانتیمتر مربع زمین، در حدود ۶۵ میلیارد (۱۰۱۰×۶٫۵)نوترینوی خورشیدی عبور می‌کند. اما این باران بسیار عظیم توسط انسان‌ها احساس نمی‌شود.
بدن افراد در حدود ۲۰ میلی‌گرم پتاسیم ۴۰ دارد که تولید اشعه رادیواکتیو بتا می‌کند. در نتیجه فرد بدون اینکه خود بداند، روزانه در حدود ۳۴۰ میلیون نوترینو صادر می‌کند. به این ترتیب آن‌ها با سرعت نزدیک بهسرعت نور از بدن خارج می‌شوند و تا پایان جهان به سفر خود ادامه می‌دهند.
تخمین زده می‌شود که در حدود ۳۳۰ نوترینو در هر سانتیمتر مکعب از کائنات وجود دارد، به عبارتی ۳۳۰ میلیون در هر متر مکعب. این عدد بسیار بزرگی است. جهت مقایسه، به‌طور متوسط نیم پروتون در هر متر مکعب از کائنات وجود دارد. به این ترتیب تعداد نوترینوها نزدیک به یک میلیارد برابر تعداد پروتون‌ها است؛ لذا در این کائنات آنچه که به عنوان ماده (پروتون، نوترون و الکترون) شناخته شده شاید از نظر کمیت خیلی مهم نباشند.
↑J. Bahcall et al. (2005). "New Solar Opacities, Abundances, Helioseismology, and Neutrino Fluxes". The Astrophysical Journal 621: L85–L88
↑«کشف نوترینو» کتاب"از کوارک تا کیهان" نوشته:" لئون لدرمن و دیوید شرام" ترجمه:" سیروس فردائیان"
↑Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons.ISBN0-471-60386-4
↑Gribov, V. (1969). "Neutrino astronomy and lepton charge". Physics Letters B 28 (7): 493–496. Bibcode 1969PhLB...28..493G
↑Fukuda, Y. , et al (1998). "Measurements of the Solar Neutrino Flux from Super-Kamiokande's First 300 Days". Physical Review Letters 81 (6): 1158–1162
↑G. Karagiorgi et al. (2007). "Leptonic CP violation studies at MiniBooNE in the (3+2) sterile neutrino oscillation hypothesis". Physical Review D 75 (013011): 1–8
