קרינת בטא
התפרקות בטא והנייטרינו

המחקר של התפרקות בטא סיפק הוכחה הפיזיקלית הראשונה לקיומו של הניטרינו. בהתפרקות אלפא ובהתפרקות גמא, לחלקיק האלפא או הגמא שנוצר הייתה אנרגיה בתחומים מוגדרים, מפני שהחלקיק בהתפרקויות אלה נושא את האנרגיה שמקורה בהבדל בין המצב הגרעיני הראשוני והסופי של הגרעין ממנו נפלט. לעומת זאת, התפלגות האנרגיה הקינטית, או הספקטרום, של חלקיקי בטא שנמדדו על ידי ליזה מייטנר ואוטו האן בשנת 1911 ועל ידי Jean Danysz בשנת 1913, הראו כי לחלקיקים אלה אנרגיה קינטית המתפלגת בתחום רחב. מדידות אלו הצביעו על כך שלחלקיקי בטא יש ספקטרום רציף
 .
בשנת 1914, ג'יימס צ'דוויק השתמש בספקטרומטר מגנטי עם אחד המונים החדשים של הנס גייגר כדי לבצע מדידות מדויקות יותר שהראו שהספקטרום של קרינת בטא הוא רציף
. ההתפלגות של אנרגיות חלקיקי בטא הייתה בסתירה לכאורה לחוק שימור האנרגיה. אם התפרקות בטא הייתה פשוט פליטת אלקטרונים, כפי שהניחו באותה עת, אז האנרגיה של האלקטרון הנפלט צריכה להיות בעלת ערך מסוים ומוגדר היטב
. עם זאת, עבור התפרקות בטא, ההתפלגות הרחבה של האנרגיות הראתה שבתהליך ההתפרקות בטא אובדת אנרגיה. הספקטרום הזה עורר תמיהה במשך שנים רבות.
בעיה שנייה הייתה קשורה לשימור התנע זוויתי. לדוגמה: התנע הזוויתי שנמדד עבור הספין הגרעיני של חנקן-14 היה 1 (כלומר שווה לקבוע פלאנק המופחת). באופן כללי, הספין הוא סכום שלם עבור גרעינים בעלי מסה זוגית וחצי שלם עבור גרעינים בעלי מסה אי זוגית. תופעה זו הוסברה מאוחר יותר על ידי מודל הפרוטון-נייטרון של הגרעין [8]. התפרקות בטא משאירה את המסה של הגרעין ללא שינוי, ולכן השינוי בספין הגרעיני חייב להיות מספר שלם. לעומת זאת, הספין של האלקטרונים בהתפרקות בטא הוא 1/2, ומכאן שתנע זוויתי לא נשמר אם התפרקות בטא הייתה רק פליטת אלקטרונים.
משנת 1920 עד 1927, צ'ארלס דראמונד אליס (יחד עם צ'דוויק ועמיתיו) קבע עוד שספקטרום ההתפרקות בטא הוא רציף. בשנת 1933, אליס ונוויל מוט הציגו ראיות חותכות לקיום גבול עליון לאנרגיה בספקטרום בטא. נילס בוהר הציע הסבר לספקטרום הבטא בתנאי ששימור האנרגיה נכון רק במובן סטטיסטי, ולכן עיקרון זה עלול להיות מופר בכל התפרקות.   אך הגבול העליון באנרגיות בטא שנקבע על ידי אליס ומוט שלל את הרעיון הזה. כך הלכה והחריפה הבעיה של השונות באנרגיה של תוצרי התפרקות הבטא, ושימור התנע הקווי והתנע הזוויתי בתהליך.
במכתב מפורסם שכתב וולפגנג פאולי ב-1930, הוא ניסה לפתור את חידת האנרגיה של חלקיקי בטא בכך שהציע שבנוסף לאלקטרונים ופרוטונים, גרעיני האטום מכילים גם חלקיק נייטרלי קל במיוחד, שאותו כינה הניטרון. הוא הציע שה"נייטרון" הזה נפלט גם במהלך התפרקות בטא (ובכך אחראי לאנרגיה החסרה הידועה, התנע הקווי והתנע הזוויתי), אבל הוא פשוט עדיין לא נצפה.
בשנת 1931, אנריקו פרמי שינה את שם ה"נייטרון" של פאולי ל"נייטרינו" ('נייטרון קטן' באיטלקית). פרמי חקר את קרינת בטא, פליטה של אלקטרונים מגרעין האטום, והציע את הבסיס התאורטי לתופעה: נייטרון, החלקיק שגילה ג'יימס צ'דוויק (Chadwick) ב-1932, מתפרק לפרוטון, אלקטרון, וחלקיק נייטרלי קטן נוסף, שקיבל במעברת פרמי את הכינוי - "נייטרינו". ב-1933 פרסם פרמי את התיאוריה החשובה שלו לגבי התפרקות בטא, שם יישם את עקרונות מכניקת הקוונטים על חלקיקי חומר, בהנחה שניתן ליצור ולאיין אותם, בדיוק כמו קוונטים של האור במעברים אטומיים.
לפי פרמי, הנייטרינו נוצרים בתהליך התפרקות הבטא, אינם קיימים בגרעין; וכך גם לגבי האלקטרונים. האינטראקציה של הנייטרינו עם החומר הייתה כל כך חלשה שזיהויו באמצעות ניסיון היה קשה ביותר. עדות עקיפה נוספת לקיומו של הנייטרינו הושגה על ידי צפייה ברתיעה של גרעינים שפלטו, לפי תיאוריה זו, נייטרינו לאחר קליטת אלקטרון. נייטרינו זוהה ישירות רק בשנת 1956 על ידי קלייד קואן ופרדריק ריינס בניסוי הניטרינו של קואן-ריינס
.
המאפיינים של הנייטרינו היו (עם כמה שינויים קלים) כפי שחזו פאולי ופרמי.