Нейтри́нные осцилля́ции, периодический во времени и пространстве процесс превращения нейтрино различных ароматов друг в друга. Физически может наблюдаться в форме ослабления потоков нейтрино, приходящих от различных источников – Солнца, космических лучей, ускорителей заряженных частиц, ядерных реакторов. Ослабление в данном случае понимается как понижение интенсивности потока частиц по сравнению с расчётными величинами.

Математическое описание процесса осцилляций исходит из предположения, что квантовыми состояниями, участвующими в слабых взаимодействиях, являются состояния $|ν_e⟩,$ $|ν_μ⟩$ и $|ν_τ⟩,$ соответствующие электронному, мюонному и тау-нейтрино. Но реальным частицам, обладающим определённой массой, отвечают их линейные комбинации (обозначаемые $ν_1$, $ν_2$ и $ν_3\text{):}$

$|ν_α \rangle = \sum _jU_{αj}|ν_j \rangle ,$где $α = e, μ, τ;$ $j = 1, 2, 3.$ Коэффициенты в этих линейных комбинациях образуют т. н. матрицу смешивания $U_{αi}$ и обычно параметризуются в виде т. н. углов смешивания. Эти коэффициенты могут быть интерпретированы как углы поворота в условном пространстве ароматов. Состояния $|ν_e⟩$, $|ν_μ⟩$ и $|ν_τ⟩$ обладают определённым ароматом, но не имеют определённой массы; в то же время состояния $ν_1$, $ν_2$ и $ν_3$ имеют определённую массу, но не имеют определённого аромата.

Нейтрино, родившееся как состояние с определённым ароматом $|ν_α⟩$, является квантовой суперпозицией состояний с определённой массой $|ν_j⟩$; при этом каждое из $|ν_j⟩$ эволюционирует по закону:

$|ν_j(t) \rangle = \exp (–iЕ_{j}t) |ν_j(0) \rangle ,$где $Е_j$– энергия $j$-го состояния, $i = \sqrt[]{-1}.$ Со временем между состояниями $|ν_j⟩$ накапливается сдвиг по фазе, пропорциональный времени $t$ и разности квадратов масс $Δm^2$ соответствующих состояний. В результате исходное нейтрино утрачивает чистоту аромата. Частица, родившаяся в чистом состоянии $|ν_α⟩,$ в дальнейшем может быть зарегистрирована как частица аромата $|ν_β⟩.$ Глубина модуляции осцилляций определяется углами смешивания, так что при угле смешивания состояний $α$ и $β,$ равном $θ_{αβ},$ вероятность регистрации исходного состояния $|ν_α⟩$ как $|ν_β⟩$ не может превышать $\sin ^22θ_{αβ}.$

В таблице представлены характерные величины энергий нейтрино $E,$ удалённости источников $L$ и оценок разности масс $Δm^2,$ полученных из наблюдений за нейтрино различного происхождения. По совокупности наблюдений за солнечными, атмосферными, ускорительными и реакторными нейтрино получены следующие оценки (на уровне достоверности одного стандартного отклонения): $\sin ^2ϑ_{12} = 0,3–0,32;$ $\sin ^2ϑ_{23} = 0,55–0,56;$ $\sin ^2ϑ_{13} = 0,021–0,023;$ здесь $ϑ_{ij}$ означает угол смешивания (параметр, фигурирующий в матрице смешивания $U_{αi}$).

Наглядную математически строгую аналогию для нейтринных осцилляций можно увидеть в явлении поворота плоскости поляризации света в оптически активных кристаллах. Для понимания аналогии следует отождествить состояния с определённым ароматом $|ν_α⟩$ с линейной поляризацией света, а состояния с определённой массой $|ν_i⟩$ – с круговой поляризацией; для света угол смешивания равен 45°. В случае нейтрино оптически активной средой выступает физический вакуум.

Идея о возможном превращении нейтрино разных типов друг в друга впервые была высказана Б. Понтекорво в 1957 г. без каких-либо теоретических обоснований (символична надпись, выгравированная на могиле Понтекорво: $ν_e ≠ ν_μ$). Нейтринные осцилляции впервые наблюдались в 1970 г. Р. Дейвисом, который обнаружил т. н. дефицит солнечных нейтрино. Но сам термин «нейтринные осцилляции» закрепился в науке лишь в 2015 г., когда А. Макдональду и Кадзите Такааки была присуждена Нобелевская премия по физике за «открытие нейтринных осцилляций, которые доказывают, что нейтрино обладает массой». За прошедшие годы события, интерпретируемые как нейтринные осцилляции, наблюдались в различных экспериментах для солнечных нейтрино, для атмосферных нейтрино, возникающих при взаимодействии космических лучей с ядрами атомов атмосферных газов, для реакторных антинейтрино, для ускорительных нейтрино (наблюдалось уменьшение количества мюонных нейтрино после прохождения 250 км в толще вещества, а также осцилляции мюонных нейтрино в тау-нейтрино с последующим рождением тау-лептонов). Осцилляции с превращением мюонных нейтрино и антинейтрино в электронные исследуются в настоящее время. Предварительные результаты эксперимента могут указывать на разницу в осцилляциях нейтрино и антинейтрино.

Существование нейтринных осцилляций выходит за рамки принятой в настоящее время Стандартной модели.

Характеристики нейтрино, полученных от различных источников*

* SBL и LBL (ShortBaseline и LongBaseline соответственно) отвечают случаям относительно малой и относительно большой удалённости нейтринного детектора от источника.