Aksel L. Hallin, professore di fisica alla Queen’s University e al Sudbury Neutrino Observatory, ne dà questa descrizione:
Un neutrino è una particella subatomica che è molto simile a un elettrone, ma non ha carica elettrica e ha una massa molto piccola, che potrebbe anche essere zero. I neutrini sono una delle particelle più abbondanti nell’universo. Poiché hanno pochissima interazione con la materia, tuttavia, sono incredibilmente difficili da rilevare. Le forze nucleari trattano elettroni e neutrini in modo identico; nessuno dei due partecipa alla forza nucleare forte, ma entrambi partecipano ugualmente alla forza nucleare debole. Le particelle con questa proprietà sono chiamate leptoni. Oltre all’elettrone (e la sua antiparticella, il positrone), i leptoni carichi includono il muone (con una massa 200 volte maggiore di quella dell’elettrone), il tau (con una massa 3.500 volte maggiore di quella dell’elettrone) e le loro antiparticelle.
Sia il muone che il tau, come l’elettrone, hanno dei neutrini di accompagnamento, che sono chiamati muone-neutrino e tau-neutrino. I tre tipi di neutrini sembrano essere distinti: per esempio, quando i muoni-neutrini interagiscono con un bersaglio, produrranno sempre muoni, e mai tau o elettroni. Nelle interazioni tra particelle, sebbene elettroni ed elettroni-neutrini possano essere creati e distrutti, la somma del numero di elettroni ed elettroni-neutrini è conservata. Questo fatto porta a dividere i leptoni in tre famiglie, ciascuna con un leptone carico e il neutrino che lo accompagna.
Per rilevare i neutrini sono necessari rivelatori molto grandi e molto sensibili. In genere, un neutrino a bassa energia viaggia attraverso molti anni luce di materia normale prima di interagire con qualcosa. Di conseguenza, tutti gli esperimenti di neutrini terrestri si basano sulla misurazione della piccola frazione di neutrini che interagiscono in rivelatori di dimensioni ragionevoli. Per esempio, nel Sudbury Neutrino Observatory, un rivelatore di neutrini solari ad acqua pesante da 1000 tonnellate raccoglie circa 1012 neutrini ogni secondo. Vengono rilevati circa 30 neutrini al giorno.
Wolfgang Pauli postulò per la prima volta l’esistenza del neutrino nel 1930. A quel tempo, sorse un problema perché sembrava che sia l’energia che il momento angolare non si conservassero nel decadimento beta. Ma Pauli fece notare che se una particella neutra non interagente – un neutrino – fosse emessa, si potrebbero recuperare le leggi di conservazione. Il primo rilevamento di neutrini non avvenne fino al 1955, quando Clyde Cowan e Frederick Reines registrarono gli anti-neutrini emessi da un reattore nucleare.
Fonti naturali di neutrini includono il decadimento radioattivo degli elementi primordiali all’interno della terra, che generano un grande flusso di elettroni-anti-neutrini a bassa energia. I calcoli mostrano che circa il 2% dell’energia del sole è trasportato da neutrini prodotti nelle reazioni di fusione. Anche le supernovae sono prevalentemente un fenomeno di neutrini, perché i neutrini sono le uniche particelle che possono penetrare il materiale molto denso prodotto in una stella che collassa; solo una piccola frazione dell’energia disponibile viene convertita in luce. È possibile che una grande frazione della materia oscura dell’universo sia costituita da neutrini primordiali del Big Bang.
I campi relativi alle particelle di neutrino e all’astrofisica sono ricchi, diversi e in rapido sviluppo. Quindi è impossibile cercare di riassumere tutte le attività nel campo in una breve nota. Detto questo, le questioni attuali che attraggono una grande quantità di sforzi sperimentali e teorici sono le seguenti: Quali sono le masse dei vari neutrini? Come influenzano la cosmologia del Big Bang? I neutrini oscillano? O i neutrini di un tipo possono trasformarsi in un altro tipo mentre viaggiano attraverso la materia e lo spazio? I neutrini sono fondamentalmente distinti dalle loro antiparticelle? Come collassano le stelle e formano le supernovae? Qual è il ruolo del neutrino nella cosmologia?
Un’annosa questione di particolare interesse è il cosiddetto problema del neutrino solare. Questo nome si riferisce al fatto che diversi esperimenti terrestri, negli ultimi tre decenni, hanno costantemente osservato meno neutrini solari di quanti sarebbero necessari per produrre l’energia emessa dal sole. Una possibile soluzione è che i neutrini oscillano – cioè, i neutrini elettronici creati nel sole cambiano in neutrini muonici o tau mentre viaggiano verso la terra. Poiché è molto più difficile misurare i neutrini muonici o tau a bassa energia, questo tipo di conversione spiegherebbe perché non abbiamo osservato il numero corretto di neutrini sulla Terra.