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La scoperta delle oscillazioni di neutrini è stata premiata con il [[Premio Nobel dellaper la fisica|Premio Nobel per la Fisica]] nel 2015 "per aver dimostrato che la massa dei neutrini è diversa da zero".

Le oscillazioni di neutrini non sono comunque in grado di fornire informazioni sulla massa assoluta dei neutrini, infatti sono sensibili alle differenze quadrate delle masse: <math>\Delta m_{ij}^2 = (m_i^2 - m_j^2 )</math>, con <math>i \neq j, \, = 1,2,3</math> ma non ai valori di <math>m_i</math>. Sono comunque in grado di fornire informazioni su come la massa totale è distribuita nei tre autostati di massa, ovvero se <math>m_1</math>è il più leggero o il più pesante dei tre autostati. Le oscillazioni dei neutrini solari hanno già permesso di determinare che <math>m_1 < m_2</math>, resta da determinare se <math>m_1 < m_3 </math> o <math>m_1 > m_3 </math>. Questo problema viene definito come gerarchia di massa dei neutrini, il primo caso (<math>m_1 < m_3 </math>) viene chiamato gerarchia direttanormale (in analogia alle masse misurate dei quark), il secondo gerarchia inversa.

[[File:Hierfig.pdf|miniatura|Schema della gerarchia normale (sinistra) e inversa (destra) delle masse dei neutrini. I colori illustrano la composizione degli autostati di massa in termini degli autostati di sapore <math>\nu_e, \, \nu_\mu, \, \nu_\tau</math> in funzione dei valori misurati dei parametri di oscillazione. Si noti come nella gerarchia normale risulti <math>\Delta m^2_{13}=\Delta m^2_{\rm{atm}} + \Delta m^2_{\rm{sol}}</math>, mentre nella gerarchia inversa <math>\Delta m^2_{13}=\Delta m^2_{\rm{atm}} - \Delta m^2_{\rm{sol}}</math>, dove <math>\Delta m^2_{\rm{atm}}, \, \Delta m^2_{\rm{sol}}</math>sono i valori misurati negli esperimenti atmosferici e solari rispettivamente.]]

Sperimentalmente si tratta di determinare il segno di <math>\Delta m_{13}^2 </math>(<math>\rm{sign}(\Delta m_{13}^2) </math>). Le oscillazioni nel vuoto non sono in grado di determinare <math>\rm{sign}(\Delta m_{13}^2) </math> perchè ogni termine che dipende da <math>\Delta m_{13}^2 </math>si trova nella forma <math>\rm{sin}^2(\Delta m_{13}^2) </math> nelle formule di oscillazione, e quindi non èsono sensibilesensibili a <math>\rm{sign}(\Delta m_{13}^2) </math>. Nel 2005<ref name=":0">{{Cita pubblicazione|nome=Hiroshi|cognome=Nunokawa|nome2=Stephen|cognome2=Parke|nome3=Renata Zukanovich|cognome3=Funchal|data=2005-07-29|titolo=Another possible way to determine the neutrino mass hierarchy|rivista=Physical Review D|volume=72|numero=1|pp=013009|doi=10.1103/PhysRevD.72.013009|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.72.013009}}</ref> è stato fatto notare che la gerarchia di massa in realtà produce modifiche al secondo ordine nelle oscillazioni nel vuoto (in sparizione) dei neutrini elettronici o muonici, ma questi effetti sono troppo piccoli per poter essere misurati sperimentalmente da esperimenti long-baseline.

Ci sono almeno tre approcci per misurare la gerarchia di massa:

* Le oscillazioni nella materia, a differenza delle oscillazioni nel vuoto, hanno dei termini <math>\rm{sin}(\Delta m_{13}^2) </math>che permetono di determinare <math>\rm{sign}(\Delta m_{13}^2) </math>. Questo approccio permette agli esperimenti ai neutrini atmosferici e agli esperimenti long-baseline, dove i neutrini attraversano lunghi tragitti nella materia, di avere la possibilità di misurare la gerarchia di massa. Gli esperimenti attuali, [[Super-Kamiokande]] per gli atmosferici e [[T2K]] e NOvA per i long-baseline, non hanno comunque sufficiente sensibilità per decidere quale sia la gerarchia di massa. Gli esperimenti long-baseline di nuova generazione, DUNE e [[Hyper-Kamiokande]] per i long-baseline e [[KM3NeT|ORCA]] per gli atmosferici, saranno in grado di misurare con grande significanza statistica la gerarchia di massa.

* Misure di sparizione di antineutrini dell'elettrone <math>(\overline{\nu}_e) </math> generati da reattori nucleari, se effettuate al massimo di sparizione, quindi al valore di L/E delle oscillazioni solari: <math>\rm{L/E} \sim 17 (\rm{km} \cdot \rm{MeV}^{-1})</math>, sono in grado di misurare la gerarchia di massa attraverso l'interferenza dei termini solari ed atmosferici, come proposto inizialmente nel 2003<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Sandhya|cognome=Choubey|nome2=S. T.|cognome2=Petcov|nome3=M.|cognome3=Piai|data=2003-12-30|titolo=Precision neutrino oscillation physics with an intermediate baseline reactor neutrino experiment|rivista=Physical Review D|volume=68|numero=11|pp=113006|doi=10.1103/PhysRevD.68.113006|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.68.113006}}</ref>. Anche gli effetti descritti in <ref name=":0" /> potrebbero avere effetto in questa configurazione. Questo è l'aproccio dell'esperimento JUNO in Cina, che sta per essere completato.

* Le oscillazioni nella materia terrestre hanno una risonanza intorno ai 15 GeV, come previsto nel 2013<ref>{{Cita pubblicazione|nome=E. Kh.|cognome=Akhmedov|nome2=Soebur|cognome2=Razzaque|nome3=A. Yu.|cognome3=Smirnov|data=2013-02-14|titolo=Mass hierarchy, 2-3 mixing and CP-phase with huge atmospheric neutrino detectors|rivista=Journal of High Energy Physics|volume=2013|numero=2|pp=82|lingua=en|doi=10.1007/JHEP02(2013)082|url=https://doi.org/10.1007/JHEP02(2013)082}}</ref>. Questo permette a Neutrino Telescopes come [[IceCube]] di misurare la gerarchia di massa, anche se probabilmente bisognerà aspettare l'upgrade IceCube Gen2 per avere una risposta definitiva con questo approccio.