В Стандартной модели нейтрино считаются безмассовыми. Однако наблюдения нейтринных осцилляций — изменения типа нейтрино при их распространении — недвусмысленно указывают на наличие массы, пусть и крайне малой. Это требует выхода за пределы Стандартной модели и введения новых механизмов, таких как механизм типа Зеесоу (see-saw mechanism), предполагающий существование тяжёлых правых нейтрино и, возможно, нарушение сохранения лептонного числа. Подобные расширения требуют как дополнительной теоретической обоснованности, так и экспериментального подтверждения.
Согласно квантовым поправкам, масса скалярных полей, таких как бозон Хиггса, должна испытывать значительные ультрафиолетовые поправки порядка квадрата энергетического масштаба среза (например, планковского масштаба). Однако наблюдаемая масса бозона Хиггса (~125 ГэВ) оказывается чрезвычайно малой по сравнению с этой величиной. Чтобы согласовать теорию с экспериментом, требуется крайне точная подгонка параметров — тонкая настройка, которую большинство физиков считает неестественной. Предлагаемые решения включают:
Пока ни одно из этих решений не получило экспериментального подтверждения.
Фундаментальное взаимодействие гравитации полностью отсутствует в структуре Стандартной модели. Она описывается в рамках общей теории относительности и требует геометрической интерпретации пространства-времени, тогда как все другие взаимодействия подчиняются квантовому полю. Попытки квантовать гравитацию сталкиваются с непреодолимыми трудностями, связанными с неренормируемостью. Подходы к объединению гравитации с квантовой теорией включают:
Однако ни один из них пока не даёт проверяемых предсказаний в доступных энергетических режимах.
Космологические и астрофизические наблюдения показывают, что около 85% вещества во Вселенной — тёмное, т.е. не взаимодействует с электромагнитным излучением и не входит в состав Стандартной модели. Более того, около 70% энергии Вселенной содержится в форме тёмной энергии, ответственной за ускоренное расширение Вселенной. Кандидаты на тёмную материю включают:
Пока ни один из этих кандидатов не был подтверждён экспериментально.
Уравнения квантовой хромодинамики (КХД) допускают наличие CP-нарушающего члена (тета-терм), который должен приводить к ненулевому электрическому дипольному моменту нейтрона (nEDM). Однако экспериментально он не обнаружен, а верхняя граница на его величину требует, чтобы тета-параметр был меньше ~10⁻¹⁰, что выглядит крайне неестественным. Решением может служить механизм Печчеи–Куинна, вводящий динамически исчезающий тета-параметр и предсказывающий существование аксиона — гипотетической лёгкой частицы.
Наблюдаемая Вселенная состоит преимущественно из материи, несмотря на то, что физические законы допускают равное количество материи и антиматерии. Чтобы объяснить это, теория должна удовлетворять условиям Сахарова:
Хотя в Стандартной модели есть механизм CP-нарушения (через матрицу Кабиббо-Кобаяши-Маскавы), его величины недостаточно для объяснения наблюдаемой асимметрии. Это побуждает искать новые источники CP-нарушения, например, в секторе нейтрино или через расширение хиггсовского сектора.
Хотя электрослабое взаимодействие было успешно объединено, полное объединение с сильным взаимодействием в рамках великих объединённых теорий (GUT) пока не достигнуто. Популярные модели, такие как SU(5), SO(10), E₆, предсказывают:
Более того, простая экстраполяция констант взаимодействия Стандартной модели не приводит к точной точке слияния. Только в суперсимметрических моделях наблюдается их точное объединение, однако отсутствие свидетельств суперсимметрии ставит под сомнение эти сценарии.
В Стандартной модели существует три поколения фермионов, однако причина их числа остаётся неизвестной. Также остаются открытыми следующие вопросы:
Некоторые попытки решения включают текстурные структуры масс, флэйворные симметрии, анархические модели и модели с дополнительными измерениями, однако ни одна из них пока не даёт однозначного объяснения наблюдаемой картины.
Несмотря на прогресс, многие аспекты нейтринной физики остаются неизвестными:
Ответы на эти вопросы необходимы для понимания как микрофизики, так и космологии. Эксперименты, такие как DUNE, JUNO, KamLAND-Zen и другие, стремятся дать на них ответы.
Стандартная модель предсказывает вакуумное ожидание энергии, связанное с хиггсовским полем и другими квантовыми вакуумными эффектами. Однако эта величина, согласно расчетам, должна быть в 10¹²⁰ раз больше, чем наблюдаемая космологическая постоянная. Это несоответствие между теоретическими предсказаниями и астрономическими измерениями является одной из самых глубоких проблем в современной теоретической физике.
Несмотря на выдающийся успех Стандартной модели, она страдает рядом формальных ограничений:
Также отсутствует чёткое понимание природы связанного состояния глюонов (глюболов) и других экзотических объектов, предсказанных в КХД.
Современная физика элементарных частиц находится в состоянии парадокса: с одной стороны, Стандартная модель блестяще согласуется с экспериментом, а с другой — существует множество весомых теоретических и эмпирических свидетельств в пользу того, что она неполна. Решение этих проблем требует как новых теоретических идей, так и прорывов в экспериментальной физике высоких энергий, космологии и астрофизике.