Aksel L. Hallin, natuurkundeprofessor aan Queen’s University en het Sudbury Neutrino Observatory, geeft deze beschrijving:
Een neutrino is een subatomair deeltje dat veel lijkt op een elektron, maar geen elektrische lading heeft en een zeer kleine massa, die zelfs nul kan zijn. Neutrino’s zijn een van de meest voorkomende deeltjes in het heelal. Omdat zij echter zeer weinig wisselwerking met materie hebben, zijn zij ongelooflijk moeilijk waar te nemen. De kernkrachten behandelen elektronen en neutrino’s op dezelfde manier; geen van beide nemen deel aan de sterke kernkracht, maar beide nemen evenveel deel aan de zwakke kernkracht. Deeltjes met deze eigenschap worden leptonen genoemd. Naast het elektron (en zijn anti-deeltje, het positron), omvatten de geladen leptonen het muon (met een massa die 200 maal groter is dan die van het elektron), het tau (met een massa die 3500 maal groter is dan die van het elektron) en hun anti-deeltjes.
Zowel het muon als het tau hebben, net als het elektron, begeleidende neutrino’s, die het muon-neutrino en het tau-neutrino worden genoemd. De drie neutrinotypen lijken van elkaar te verschillen: als muon-neutrino’s bijvoorbeeld een wisselwerking aangaan met een doelwit, zullen ze altijd muonen produceren, en nooit tau’s of elektronen. Bij de deeltjesinteracties kunnen elektronen en elektron-neutrino’s weliswaar worden gecreëerd en vernietigd, maar de som van het aantal elektronen en elektron-neutrino’s blijft behouden. Dit feit leidt tot het verdelen van de leptonen in drie families, elk met een geladen lepton en het bijbehorende neutrino.
Om neutrino’s te detecteren, zijn zeer grote en zeer gevoelige detectoren nodig. In het algemeen zal een neutrino van lage energie door vele lichtjaren normale materie reizen voordat het ergens mee in wisselwerking komt. Bijgevolg berusten alle neutrino-experimenten op aarde op het meten van de minieme fractie van neutrino’s die interageren in detectoren van redelijke afmetingen. In het Sudbury Neutrino Observatory bijvoorbeeld, vangt een 1000 ton zware water-zonne-neutrino detector ongeveer 1012 neutrino’s per seconde op. Per dag worden ongeveer 30 neutrino’s gedetecteerd.
Wolfgang Pauli postuleerde het bestaan van het neutrino voor het eerst in 1930. Destijds ontstond er een probleem omdat het leek alsof zowel energie als impulsmoment niet behouden bleven bij bèta-ontbinding. Maar Pauli wees erop dat als een niet interagerend, neutraal deeltje – een neutrino – zou worden uitgezonden, men de behoudswetten zou kunnen herstellen. De eerste detectie van neutrino’s vond pas plaats in 1955, toen Clyde Cowan en Frederick Reines anti-neutrino’s registreerden die door een kernreactor werden uitgezonden.
Natuurlijke bronnen van neutrino’s zijn onder andere het radioactieve verval van oer-elementen binnen de aarde, die een grote stroom van laag-energetische elektron-anti-neutrino’s genereren. Berekeningen tonen aan dat ongeveer 2 procent van de energie van de zon wordt meegevoerd door neutrino’s die worden geproduceerd in fusiereacties aldaar. Ook supernovae zijn voornamelijk een neutrino-fenomeen, omdat neutrino’s de enige deeltjes zijn die kunnen doordringen in de zeer dichte materie die in een instortende ster ontstaat; slechts een klein deel van de beschikbare energie wordt omgezet in licht. Het is mogelijk dat een groot deel van de donkere materie van het heelal bestaat uit neutrino’s uit de oertijd, de oerknal.
De gebieden die verband houden met neutrinodeeltjes en astrofysica zijn rijk, divers en ontwikkelen zich snel. Het is dan ook onmogelijk om te proberen alle activiteiten op dit gebied in een korte notitie samen te vatten. Dit gezegd zijnde, zijn de huidige vragen die een grote hoeveelheid experimentele en theoretische inspanning aantrekken onder meer de volgende Wat zijn de massa’s van de verschillende neutrino’s? Hoe beïnvloeden zij de Big Bang kosmologie? Oscilleren neutrino’s? Of kunnen neutrino’s van het ene type veranderen in een ander type als zij door materie en ruimte reizen? Zijn neutrino’s fundamenteel verschillend van hun anti-deeltjes? Hoe storten sterren in elkaar en ontstaan supernovae? Wat is de rol van neutrino’s in de kosmologie?
Een reeds lang bestaand onderwerp van bijzonder belang is het zogenaamde neutrino-probleem van de zon. Deze naam verwijst naar het feit dat verschillende aardse experimenten in de afgelopen drie decennia steeds minder neutrino’s hebben waargenomen dan nodig zou zijn om de energie te produceren die door de zon wordt uitgezonden. Een mogelijke oplossing is dat neutrino’s oscilleren, d.w.z. dat de elektron-neutrino’s die in de zon ontstaan, tijdens hun reis naar de aarde veranderen in muon- of tau-neutrino’s. Omdat het veel moeilijker is om muon- of tau-neutrino’s met lage energie te meten, zou een dergelijke omzetting verklaren waarom we op aarde niet het juiste aantal neutrino’s hebben waargenomen.