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L'oscillation du neutrino est un phénomène de la mécanique quantique dans lequel un neutrino créé avec une certaine saveur leptonique (neutrino électronique, muonique ou tauique) peut être mesuré plus tard ayant une saveur différente.
La probabilité d'avoir une valeur donnée de cette propriété varie de façon périodique alors que la particule se propage. L'oscillation du neutrino est d'intérêt tant théorique qu'expérimental, puisque l'observation de ce phénomène implique la non-nullité de la masse de la particule, ce qui n'entre pas dans le cadre du modèle standard de la physique des particules[réf. nécessaire].
Il existe trois saveurs de neutrino, en rapport avec chacun des leptons chargés : le neutrino électronique νe , le neutrino muonique νμ et le neutrino tauique ντ.
Il s'agit en fait des états propres du lagrangien d'interaction, c’est-à-dire des seules solutions possibles de l'interaction faible. Or, le lagrangien de propagation, décrivant la manière dont les neutrinos se propagent, a des états propres différents, que l'on nommera ν1, ν2 et ν3. La matrice PMNS d'éléments Uαi, où α est un état propre d'interaction (e, μ ou τ) et i un état propre de propagation (1, 2 ou 3), permet de passer d'une base à une autre. Ainsi, un neutrino électronique créé lors d'une interaction est une combinaison linéaire des trois états propres de propagation. Comme ces trois états propres se propagent à des vitesses différentes, la combinaison de ν1, ν2 et ν3 évolue en fonction de la distance parcourue et de l'énergie du neutrino initial. C'est pourquoi, à un certain point de propagation, la combinaison qui sera détectée peut correspondre à celle d'un neutrino muonique ou tauique. Le neutrino initialement électronique a changé de saveur : on parle d'oscillation du neutrino.
Le processus ne peut être observé qu'à deux conditions[pas clair]. Les états propres d'interaction et de propagation doivent être différents, ce qui induit des vitesses de propagation différentes, correspondant à des masses différentes (pour une même énergie).