В начале XX века физика столкнулась с фундаментальной проблемой, связанной с законом сохранения энергии и импульса в процессах бета-распада. Наблюдения показали, что электрон, испускаемый при бета-распаде ядра, обладает энергией, изменяющейся от нуля до некоторого максимального значения. Это противоречило бы строгому закону сохранения энергии, если предположить, что распад происходит лишь на два тела — исходное ядро и испущенный электрон.
Первые точные спектрометрические измерения подтвердили непрерывность спектра электронов, что не укладывалось в рамки классической двухчастичной схемы. Эта загадка стала одной из главных теоретических трудностей в ядерной физике 1920-х годов.
В декабре 1930 года Вольфганг Паули предложил революционную идею, призванную устранить противоречие. Он предположил существование новой элементарной частицы, нейтральной и практически неуловимой, которая уносит часть энергии и импульса при бета-распаде. Паули назвал её «нейтроном» (не путать с нейтроном Чадвика, открытым в 1932 году). Эта частица должна была обладать следующими свойствами:
Паули выдвинул гипотезу с большой осторожностью, назвав новую частицу «отчаянным средством» для спасения закона сохранения энергии.
В 1934 году Энрико Ферми построил теорию бета-распада, в которой гипотетическая частица Паули получила полноправное место. Ферми ввёл понятие слабого взаимодействия и разработал формализм, описывающий процесс бета-распада с участием новой частицы. Именно Ферми дал ей название «нейтрино» (от итальянского «маленький нейтральный»), чтобы отличить от уже открытого нейтрона.
Теория Ферми позволила успешно описывать экспериментальные данные о спектрах электронов и стала основой для дальнейшего развития физики слабых взаимодействий. Однако прямого экспериментального подтверждения существования нейтрино ещё не было.
С самого начала было ясно, что зарегистрировать нейтрино чрезвычайно сложно из-за его крайне слабого взаимодействия с веществом. Расчёты показывали, что поток огромного числа нейтрино мог пройти через целую Землю, практически не оставив следа.
Тем не менее, физики искали способы косвенного и прямого обнаружения. В 1940-х годах было предложено использовать ядерные реакторы, в которых генерировалось колоссальное количество антинейтрино при бета-распаде продуктов деления. Такой источник позволял надеяться на регистрацию редких взаимодействий.
В 1956 году Фредерик Райнс и Клайд Кован осуществили первое прямое наблюдение антинейтрино. Их установка, размещённая возле ядерного реактора, содержала воду с растворёнными солями кадмия, способными фиксировать захват нейтрино.
Регистрировался процесс:
ν̄e + p → e+ + n
Позитрон аннигилировал с электроном, создавая гамма-кванты, а нейтрон задерживался кадмием с испусканием дополнительного гамма-кванта. Совпадение этих сигналов служило характерным признаком взаимодействия.
Опыты Райнса и Кована дали убедительное доказательство существования нейтрино, подтвердив гипотезу Паули и завершив многолетний спор.
После открытия электронной разновидности нейтрино последовали новые открытия. В 1962 году было зарегистрировано мюонное нейтрино, что подтвердило существование различных «семейств» лептонов. Позднее было открыто тау-нейтрино. Таким образом, сформировалась трёхкомпонентная схема нейтринного сектора Стандартной модели.
Эксперименты второй половины XX века показали, что нейтрино обладает особыми свойствами:
Это стало одним из первых указаний на неполноту Стандартной модели и открыло новое направление исследований в физике элементарных частиц.
История открытия нейтрино демонстрирует редкий пример того, как гипотетическая частица, предложенная для «спасения» фундаментального закона, через десятилетия получает прямое подтверждение и становится ключом к новой физике. От гипотезы Паули до эксперимента Райнса и Кована прошло более двадцати лет, а дальнейшие исследования нейтрино продолжают оставаться на переднем крае науки.