Neutrino (tiếng Việt đọc là: Niu-tri-nô, được ký hiệu bằng ký tự Hy Lạp) là một fermion (mộthạt sơ cấp cóspin bán nguyên) chỉ tương tác với các hạt sơ cấp khác thông quatương tác hạt nhân yếu vàtương tác hấp dẫn[2][3]. Khối lượng của neutrino nhỏ hơn rất nhiều so với khối lượng của các hạt cơ bản khác từng được biết đến.[4] Neutrino lớn bằng khoảng 1yoctomet(ym).
Tên gọi của neutrino xuất phát từ hai tính chất cơ bản, ấy là trung hòa về điện (neutral-) vàkhối lượng nghỉ rất nhỏ (-ino). Tương tác hạt nhân yếu có khoảng cách tác dụng rất ngắn, tương tác hấp dẫn thì gần như là bằng không ở thang độ lớn hạ nguyên tử, còn bản thân neutrino lại là mộtlepton do đó không thể tham gia tương tác hạt nhân mạnh. Ba yếu tố kể trên dẫn đến khả năng tương tác cực kỳ yếu của neutrino: hạt này có thể đi xuyên qua một độ dày vật chất rất lớn (độ dài thiên văn) mà không gây ra một tương tác nào.[2][3]
Tương tác hạt nhân yếu, hay gọi tắt là tương tác yếu, tạo ra một neutrino thuộc một trong ba "hương" bao gồmelectron neutrino (ký hiệu),muon neutrino () hoặctau neutrino () và một lepton mang điện (,, hoặc) có cùng hương với neutrino.[5] Mặc dù trong một thời gian dài, neutrino được tin là không có khối lượng, hiện nay chúng ta đã biết rằng có ba trạng thái khối lượng khác nhau của neutrino, và các trạng thái này không tương ứng với các trạng thái hương vừa nêu ở trên. Một neutrino luôn được tạo ra trong một tương tác yếu, với một trạng thái hương xác định. Theocơ học lượng tử, trạng thái hương này là sựchồng chập của cả ba trạng thái khối lượng. Hệ quả của sự chồng chập này là hiện tượngdao động neutrino, trong đó neutrino có thể thay đổi hương của mình. Ví dụ, một electron neutrino được sinh ra từ mộtphân rã beta có thể được một máy đo đặt ở xa nhận biết như mộtmuon neutrino hoặc tau neutrino.[6][7] Cho đến thời điểm hiện tại, chúng ta chỉ mới biết được hai hiệu số bình phương khối lượng, ấy là (giữa trạng thái khối lượngvà) và (giữa trạng thái khối lượngvà, dấu giá trị tuyệt đối thể hiện rằng chúng ta chưa biết rõ giữavà, trạng thái nào có khối lượng lớn hơn).[8] Các quan sát vũ trụ học chỉ ra rằng tổng khối lượng ba trạng thái của neutrino phải nhỏ hơn một phần triệu khối lượng của một electron.[4][9]
Tương ứng với mỗi neutrino, tồn tại mộtphản hạt neutrino cũng mang spin bán nguyên và trung hòa về điện. Hạt và phản hạt neutrino được tách biệt với nhau bởi đối nghịch dấu vềsố lượng tử lepton (gọi tắt là số lepton) và đối nghịchchiral. Để bảo toàn số lepton, trong phân rã beta(+), electron neutrino được tạo ra cùng vớipositron (phản hạt electron) chứ không phải với electron. Tương tự như vậy, trong phân rã phản beta (hay nhiều người còn gọi là phân rã beta-), một phản electron neutrino sẽ được tạo ra cùng với một electron.[10][11]
Neutrino có thể được tạo ra theo nhiều cách, bao gồm: Phân rã beta của các hạt nhân nguyên tử hoặc của các hadron, cácphản ứng hạt nhân (như trong các nhà máy điện nguyên tử, trong lõi của các ngôi sao) hoặc khi sử dụng các chùm tia năng lượng cao bắn phá các bia nguyên tử. Phần lớn neutrino trên Trái Đất đến từ các phản ứng nhiệt hạt nhân xảy ra trong lòng Mặt Trời. Trên bề mặt Trái Đất, ước tính khoảng hay 65 tỷ neutrino đến từ Mặt Trời đi xuyên qua một centimeter vuông diện tích mỗi giây.[12][13] Neutrino hoàn toàn có thể được tạo ra một cách nhân tạo trong các máy gia tốc hạt hoặc các lò phản ứng hạt nhân.
Neutrino được nhắc đến đầu tiên bởiWolfgang Pauli vào năm 1930 để giải thích cho việc bảo toànnăng lượng,động lượng vàmô men động lượng (spin) trong phân rã beta. Trái ngược vớiNiels Bohr, người đã đề xuất rằng bảo toàn năng lượng là một hiện tượng mang tính thống kê nhằm giải thích phổ năng lượng liên tục của electron thoát ra từ phân rã beta, Pauli giả thiết rằng có một loại hạt không quan sát được, phát sinh cùng với electron trong phân rã và do đó mang đi một phần năng lượng. Ông gọi hạt này là "neutron", sử dụng hậu tố-on giống nhưproton hayelectron.[16]
Sau đó hai năm, vào năm 1932,James Chadwick đã tìm ra một loại hạt mới trong cấu phần của hạt nhân nguyên tử, nặng gần bằng proton và cũng đặt tên cho nó làneutron, dẫn đến việc hai loại hạt có cùng một tên gọi. Pauli (vào năm 1932) đã dùng tên gọi "neutron" để chỉ cả hai loại hạt (hạt trung hòa giúp bảo toàn năng lượng trong phân rã beta và một hạt trung hòa được giả thuyết là nằm trong hạt nhân nguyên tử) do ông xem hai hạt này là một.[16] Tên gọi "neutrino" xuất phát từEnrico Fermi, người đã sử dụng từ này trong một hội nghị ở Paris vào tháng 7 năm 1932 và tronghội nghị Solvay tháng 10 năm 1933. Về sau Pauli cũng bắt đầu sử dụng tên gọi này thay cho "neutron".[17]
Trong lý thuyết Fermi về phân rã beta, neutron - khám phá của Chadwick - có thể phân rã thành một proton, một electron cùng với một hạt trung hòa nhỏ hơn:
Trong một bài báo khoa học viết năm 1934, Fermi đã kết hợp giả thuyết neutrino của Pauli, lý thuyết positron củaPaul Dirac và mô hình neutron-proton củaWerner Heisenberg trong một khuôn khổ lý thuyết khá vững chắc. Chính lý thuyết của Fermi đã đặt nền móng cho các công trình nghiên cứu thực nghiệm sau này về tương tác yếu nói chung và vật lý neutrino nói riêng. Tuy nhiên, tạp chíNature đã từ chối đăng kết quả của Fermi vì cho rằng lý thuyết này "quá xa vời so với thực tế". Fermi đã nộp bài báo đó cho một tạp chí chuyên ngành tại ý và được chấp thuận cho đăng, nhưng vì lý thuyết của ông thu hút được quá ít quan tâm của cộng đồng khoa học tại thời điểm đó, ông đã chuyển sang nghiên cứu vật lý thực nghiệm.[18][19]
Tuy nhiên, ngay trước năm 1934, người ta đã tìm ra một bằng chứng thực nghiệm đi ngược lại với ý tưởng của Bohr về việc năng lượng không được bảo toàn trong phân rã beta. Tạihội nghị Solvay năm 1934, kết quả từ các phép đo phổ năng lượng của các electron trong các phân rã beta đã chỉ ra rằng tồn tại một giới hạn năng lượng (một cận trên) của electron (không có một phân rã nào có thể sinh ra electron với năng lượng lớn hơn giới hạn này). Một giới hạn năng lượng như vậy phải là kết quả của định luật bảo toàn năng lượng bởi nếu năng lượng chỉ được bảo toàn một cách thống kê như ý tưởng của Bohr, sẽ phải có chí ít vài phân rã trong đó năng lượng của electron lớn hơn giới hạn được tìm thấy. Lời giải thích đơn giản cho hiện tượng phổ năng lượng liên tục của electron trong phân rã beta chính là có một loại hạt mới, mà ta chưa quan sát được, đã mang đi một phần năng lượng phân rã, phần còn lại chính là năng lượng của electron mà ta quan sát được. Pauli đã lợi dụng phát hiện mới này để bắt đầu công khai ủng hộ ý tưởng về hạt "neutrino" của mình.
Clyde Cowan đang thực hiện thí nghiệm đo đạc neutrino năm 1956.
Vào năm 1942, Wang Ganchang lần đầu đề xuất việc sử dụng hiện tượng hấp thụ beta để có thể dò neutrino. Trong ấn phẩm của tạp chí Science ra ngày 20 tháng 7 năm 1956, một bài báo dưới tên Clyde Cowan, Frederick Reines, F. B. Harison, H. W. Kruse và A. D. McGuire đã xác nhận việc trực tiếp đo đạc được neutrino, một kết quả tuyệt vời, xứng đáng với giải Nobel năm 1995.
Trong thí nghiệm đầu tiên tìm ra neutrino, mà ngày nay được gọi với tên thí nghiệm Cowan-Reines, các phản neutrino sinh ra từ một lò phản ứng hạt nhân đã tương tác với các proton để tạo ra neutron và positron. Đây được gọi là phản ứng phân rã beta ngược:
Position là phản hạt của electron nên nhanh chóng bị hủy cặp khi gặp một electron nào đó ở vùng lân cận. Kết quả của sự hủy cặp này là hai tia gamma với năng lượng đặc trưng 0.51 MeV. Neutron có thể được quan sát thông qua việc một hạt nhân sẽ hấp thụ neutron này và giải phóng một bức xạ gamma đặc trưng. Do vậy, dấu hiệu của một neutrino tương tác với máy đo sẽ là 2 dấu hiệu gamma xảy ra gần với nhau, một do hủy positron, một do hấp thụ neutron.
Neutrino được phát ra trong các vụ nổsiêu tân tinh,nó không có trọng lượng. NhờĐịnh luật bảo toàn khối lượng (trong hạt vật chất của vũ trụ nếu trọng lượng bị giảm mà năng lượng vẫn còn thì phải có gì đó bù vào).[20]
^abClose, Frank (2010). Neutrinos (softcover ed.). Oxford University Press. ISBN 0-199-69599-7.
^abJayawardhana, Ray (2015). The Neutrino Hunters: The Chase for the Ghost Particle and the Secrets of the Universe(softcover ed.). Oneworld Publications. ISBN 1-780-74647-4.
