Nyt kun fysiikan Nobel on oikeutetusti myönnetty IceCube Neutrino Observatoryn merkkihahmolle Francis Halzenille, niin pieni yhteenveto neutriinosta, joka on edelleen melko huonosti tunnettu alkeishiukkanen. Tämä on pintaraapaisu, ja tarkempaan teoriaan voidaan ehkä syventyä myöhemmin.
Neutriino kuuluu leptoneihin, joiden vuorovaikutukset ovat heikko vuorovaikutus ja sähkömagneettinen vuorovaikutus. Neutriinon sähkövaraus on kuitenkin nolla, joten jäljelle jää heikko vuorovaikutus.
Leptoneita ovat elektroni, myoni ja tau (\(e^-\), \(\mu^-\), \(\tau^-\)) sekä näiden antihiukkaset positroni, antimyoni ja antitau (\(e^+\), \(\mu^+\), \(\tau^+\)). Vastaavat neutriinot ovat elektronin neutriino, myonin neutriino ja taun neutriino (\(\nu_e\), \(\nu_\mu\), \(\nu_\tau\)), sekä näiden antihiukkaset (\(\bar \nu_e\), \(\bar \nu_\mu\),\( \bar \nu_\tau\)). Neutriino on spin-1/2 hiukkanen kuten muutkin leptonit. Majorana neutriinot olisivat itsensä antihiukkasia, jolloin erillistä antihiukkasta ei olisi (\(\nu = \bar \nu\)).
Neutriinoja syntyy suuria määriä heikossa vuorovaikutuksessa, johon osallistuvat leptonien lisäksi myös kvarkit, jotka ovat fermioneita kuten kaikki leptonitkin. Näitä vuorovaikutuksia ilmenee, kun tapahtuu esimerkiksi beta-hajoaminen, tähden ydinfuusio, supernovan räjähdys tai suuren energian hiukkastörmäys. Osassa syntyy neutriinoja ja osassa antineutriinoja. Joka sekunti ihmisen kokoisen pinta-alan läpi kulkee arviolta \(10^{14}\) neutriinoa.
Neutriino on kevyt, vain noin alle \(\mathrm{0.45\ eV/c^2}\) (elektronin neutriino). Seuraavaksi kevyimmän alkeishiukkasen (elektroni) massa on noin \(\mathrm{0.511\ MeV/c^2}\), joka on neutriinoon verrattuna vähintään miljoona kertainen. Neutriinon massaa ei tarkkaan tunneta, ja teoreettisesti on mahdollista, että alin massatila on jopa massaton. Neutriinon hajoamista ei ole havaittu, ja neutriinoja on universumissa todennäköisesti valtavia määriä.
Auringon pp-ketjussa syntyvän ja lähellä valon nopeutta liikkuvan neutriinon energia on suhteellisen suuri, noin luokkaa \(\mathrm{0.5\ MeV}\). Tämä on suurempi kuin yksittäisen näkyvän valon fotonin energia, joka on luokkaa \(\mathrm{2\ eV}\). Neutriinolla on siis noin \(10^5\) kertaa suurempi energia, mutta auringon energiasta siirtyy ulos neutriinojen mukana vain noin 1-2 %. Loput käytännössä fotonien mukana.
IceCube on mitannut kosmisia neutriinoja, joiden energia on jopa \(\mathrm{10\ PeV}\), ja näiden nopeus on siis suurempi kuin Auringon tuottamien.
Neutriinot ja muut hiukkaset vuorovaikuttavat vain harvoin. Sähkömagneettinen ja vahva vuorovaikutus puuttuvat, ja heikon vuorovaikutuksen kantama on lyhyt, sillä sen välittäjähiukkaset \(W^\pm\) ja \(Z^0\) ovat massaltaan raskaita, noin \(\mathrm{80-91\ GeV/c^2}\).
Auringossa syntyneen neutriinon energia on huomattavan pieni välittäjäbosoneihin verrattuna, ja muun muassa siksi vuorovaikutuksen todennäköisyys on pieni. Kosmisen neutriinon energia on suhteellisen suuri, jonka takia vuorovaikutus on todennäköisempi. Silti olematon verrattuna fotonin sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen, koska heikko vuorovaikutus on nimensä mukaisesti heikko (epätodennäköinen).
Käytännössä neutriino läpäisee atomiytimenkin lähes ilman vuorovaikutusta. Maapallon läpäisseiden neutriinojen avulla on jopa kuvattu aurinko siten, että kuva on otettu planeetan läpi. Tosin valotusaika (paremminkin 'neutriintumisaika') on hurjan pitkä.
Historiallisesti neutriinot ovat osa sähköheikkoa yhtenäisteoriaa, joka yhdistää heikon ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen käyttämällä \(\text{SU}(2)_L \times \text U(1)_Y\) -mittasymmetriaa. Teoriaan liittyvät kvanttiluvut ovat heikko isospin \(T\) ja heikko hypervaraus \(Y\). Lisäksi sähkömagneettiseen mittasymmetriaan \(\text U(1)_{EM}\) liittyy kvanttiluku \(Q\), joka on sähkövaraus.
Heikko isospin sisältää kolme komponenttia \(T_1\), \(T_2\) ja \(T_3\), mutta usein heikko isospin kuvataan komponentilla \(T_3\).
Näiden kvanttilukujen yhteys on varsin helppo \(Q = T_3 + \frac 1 2 Y\).
Neutriinon \(T_3 = +\frac 1 2\) ja \(Y = -1\), joista saadaan sähkövaraus \(Q = 0\). Elektronille vastaavat ovat \(T_3 = -\frac 1 2\) ja \(Y = -1\), ja näistä sähkövaraus \(Q = -1\). Molemmilla on sama \(Y\), mutta eri \(T_3\) ja eri sähkövaraus.
Alkuperäinen teoria on kuitenkin ongelmallinen. Heikon vuorovaikutuksen \(Z^\pm\) kytkeytyy vain vasenkiraaliseen leptoniin, jonka takia teoriaan asetetaan vasenkiraalinen leptoni (esim. elektroni) ja vasenkiraalinen leptonin neutriino (esim elektronin neutriino). Neutraali \(Z^0\) kytkeytyy myös oikeakiraaliseen leptoniin.
Teoriaan tarvitaan oikeakiraalinen leptoni, mutta oikeakiraalinen leptonin neutriino jätetään pois. Higgsin mekanismi kytkee vasen- ja oikeakiraaliset komponentit, ja leptoni saa massan. Oikeakiraalinen neutriino puuttuu, jonka takia neutriino ei saa massaa Higgsin mekanismista. Alkuperäisen sähköheikon teorian neutriino on massaton, mutta kokeellisesti on todettu, että näin ei voi olla.
Kaksi mahdollista ratkaisua ovat Diracin massa ja Majorana massa. Ensiksi mainittu on yhteensopiva sähköheikon teorian \(\text{SU}(2)_L\) -symmetrin kanssa, mutta neutriinon pieni massa johtaa kysymyksiin Higgsin kentän Yukawa kytkennästä. Leptonin ja neutriinon kytkennät poikkeavat \(10^7\) kertaisesti, ja tälle ei ole selitystä. Majorana massa ei ole osa sähköheikkoa teoriaa, ja sen seurauksena leptoniluvut eivät säily. Tämä ei välttämättä ole ongelma, vaan voi olla viite siitä, että leptoniluvun säilymistä ei ole.
Neutriinon massalle on toki muitakin teorioita, joista seesaw-mekanismi sisältää molemmat massat, Diracin ja Majoranan.
Neutriinolle voidaan määritellä kolme massan ominaistilaa, joita merkitään \(\nu_1\), \(\nu_2\) ja \(\nu_3\). Neutriino-oskillaatio on seuraus siitä, että kolme neutriinolajia (\(\nu_e\), \(\nu_\mu\), \(\nu_\tau\)) ovat kolmen massatilan lineaarikombinaatioita (superpositioita).
On mahdollista, että painavampi massatila hajoaa kevyemmäksi, ja samalla vapautuu fotoni. Hajoaminen tapahtuisi esimerkiksi \(\nu_3 \to \nu_2 + \gamma\), missä \(m_3 > m_2\), ja osa \(\nu_3\):n energiasta siirtyy fotoniin \(\gamma\). Mielenkiintoisena yksityiskohtana, että neutriino ei osallistu sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen, mutta hajoamisesta voi muodostua sähkömagnetismin välittäjä eli fotoni.
Massallisia neutriinoja tulisi olla havaittuina useissa eri nopeuksissa, mutta toistaiseksi ei ole voitu todeta poikkeamista kausaliteetin vauhdista c. No - syy on siinä, että mitä tarkemmin mittauksia analysoidaan, eikä eroa neutriinon vauhdille c-vauhtiin nähden saada, sitä matalammalle massatilan yläraja vain asetetaan.
Hienorakennevakio lukuteoriana vapausasteista: (1⁰+2¹+3²+5³+1/2¹×3²/5³-(3²×5³)⁻²)⁻¹ = 137,03599921⁻¹