Несмотря на выдающиеся успехи Стандартной модели (СМ) в описании взаимодействий между элементарными частицами, она обладает рядом ограничений, указывающих на её неполноту. Одним из фундаментальных вопросов остаётся проблема нейтринных масс, которые в рамках исходной СМ предполагаются тождественно нулевыми, в то время как эксперименты по нейтринным осцилляциям однозначно доказывают обратное.
Также СМ не включает в себя гравитационное взаимодействие, игнорируя квантовую гравитацию как таковую. Несмотря на то, что гравитация чрезвычайно слаба по сравнению с другими взаимодействиями на микроскопическом уровне, её роль фундаментальна при рассмотрении планковских масштабов, где квантовые эффекты гравитации становятся значимыми.
Наконец, в рамках СМ отсутствует описание тёмной материи и тёмной энергии, которые составляют подавляющую часть вещества и энергии во Вселенной. Эти наблюдаемые, но не объяснённые компоненты космоса указывают на необходимость расширения теоретического аппарата.
Суперсимметрия — одна из наиболее активно исследуемых гипотетических теорий, предполагающая существование партнёров для всех известных фермионов и бозонов. Эта симметрия между фермионами и бозонами позволяет решить проблему иерархии — то есть устойчивости массы Хиггсовского бозона к квантовым поправкам.
Кроме того, наиболее простые версии SUSY (например, минимальная суперсимметричная стандартная модель, MSSM) предсказывают наличие стабильной, слабо взаимодействующей частицы — кандидата на роль тёмной материи. Тем не менее, до сих пор ни одна суперпартнёрская частица не была экспериментально обнаружена, в том числе в экспериментах на БАК.
Согласно гипотезам GUT, три фундаментальных взаимодействия (электрослабое и сильное) объединяются в единое взаимодействие при чрезвычайно высоких энергиях (~10¹⁶ ГэВ). Эти теории основаны на более широких симметрийных группах, таких как SU(5), SO(10) или E₆.
Характерной чертой GUT является предсказание протонного распада, которого не наблюдается в экспериментах, но для которого устанавливаются всё более строгие нижние пределы на время жизни протона.
Также GUT естественным образом включают в себя нейтринные массы, т.к. в таких теориях возможны механизмы типа схемы качелей (see-saw mechanism), объясняющие наблюдаемые осцилляции нейтрино.
Теория струн претендует на роль единой квантовой теории гравитации и описания всех взаимодействий в рамках одной теоретической схемы. Согласно этой теории, элементарные частицы не являются точечными объектами, а представляют собой одномерные струны, вибрации которых соответствуют различным частицам.
Теория струн требует дополнительных пространственных измерений (обычно 10 или 11), которые предполагается компактифицированными до недостижимо малых масштабов. Одним из направлений развития струнной теории является М-теория, включающая в себя пять известных суперструнных теорий как частные проявления.
Проблема теории струн заключается в её крайней теоретической сложности и отсутствии пока что фальсифицируемых предсказаний, проверяемых в экспериментах.
Альтернативой теории струн в описании квантовой гравитации является квантовая петлевая гравитация (loop quantum gravity), фокусирующаяся на дискретной структуре пространства-времени на планковских масштабах. Эта теория пытается описать гравитацию без введения дополнительных измерений или суперсимметрии, но также пока не имеет экспериментальных подтверждений.
Астрофизические и космологические наблюдения (вращение галактик, гравитационное линзирование, космический микроволновый фон) указывают на существование невидимой массы, взаимодействующей гравитационно, но не электромагнитно. Возможные кандидаты на тёмную материю включают:
Несмотря на многочисленные эксперименты по прямому и косвенному обнаружению тёмной материи (XENONnT, LUX-ZEPLIN, DAMA/LIBRA), пока не зафиксировано ни одного достоверного сигнала.
Одна из фундаментальных проблем космологии — переизбыток материи над антиматерией. Согласно наблюдениям, антивещество практически отсутствует во Вселенной, в то время как в Стандартной модели условия Сахарова (нарушение CP-симметрии, барионное число и отклонение от термодинамического равновесия) выполняются недостаточно эффективно для генерации наблюдаемой асимметрии.
Многие расширения СМ, такие как лептогенез, предлагают механизмы усиленного нарушения CP-инвариантности в распадах тяжёлых нейтрино, ведущих к бариогенезу через аномалии электрослабого взаимодействия.
В рамках исследований, направленных на расширение СМ, активно рассматриваются возможности существования дополнительных U(1) симметрий, ведущих к появлению новых калибровочных бозонов (например, гипотетического Z’-бозона). Такие модели могут объяснять аномалии в лептонной универсальности, замеченные в распадах B-мезонов (эксперименты LHCb и Belle II).
Проекты DUNE и Hyper-Kamiokande обещают существенно продвинуться в понимании свойств нейтрино, в частности:
Эксперименты прямого обнаружения, такие как XENONnT, LZ и DARWIN, направлены на регистрацию редких столкновений частиц тёмной материи с ядрами. Косвенные подходы, использующие телескопы (Fermi-LAT, AMS-02), ищут продукты аннигиляции или распада тёмной материи в космических лучах.
Также разрабатываются неускорительные подходы, такие как эксперименты по наблюдению осцилляций в тёмную материю, резонансные эффекты в квантовых системах и эксперименты по микроскопическим колебаниям зеркала или маятников.
Перспективы развития теории физики элементарных частиц тесно связаны как с теоретическим поиском симметрий, объединяющих фундаментальные взаимодействия, так и с всё более прецизионными экспериментами, способными выйти за рамки Стандартной модели. Ожидается, что следующий этап в физике высоких энергий потребует как новых концептуальных подходов, так и технологических прорывов в детектировании, ускорении и обработке данных.