La physique au-delà du modèle standard se rapporte aux développements théoriques de la physique des particules nécessaires pour expliquer les défaillances du modèle standard, telles que l'origine de la masse, le de la violation CP de l'interaction forte, les oscillations des neutrinos, l'asymétrie matière-antimatière, et la nature de la matière noire et de l'énergie noire. Un autre problème réside dans le cadre mathématique du modèle standard lui-même : son incompatibilité avec celui de la relativité générale, au point que l'une ou l'autre ou les deux théories deviennent inopérantes face à certaines conditions, par exemple les singularités gravitationnelles connues de l'espace-temps comme le Big Bang ou l'horizon des événements des trous noirs.
Les théories au-delà du modèle standard comprennent de nombreuses extensions du modèle standard jusqu'à la supersymétrie, telles que le (en abrégé MSSM pour ) et le (NMSSM pour ), ou des explications entièrement nouvelles telles que la théorie des cordes, la théorie M et les dimensions supplémentaires. Comme ces théories s'efforcent de reproduire l'intégralité de phénomènes ordinaires, l'identification de celle qui est correcte, ou au moins celle qui constitue la « meilleure avancée » vers la théorie du tout, peut seulement être réglée expérimentalement et constitue l'un des champs de recherche les plus actifs tant en physique théorique qu'en physique expérimentale.
Problèmes du modèle standard
400px|thumbnail|right|Le modèle standard des particules élémentaires.
Bien qu'il constitue la théorie physique la plus réussie à ce jour, le modèle standard n'est pas parfait.. Une grande partie des résultats publiés par les physiciens théoriciens consiste à proposer différentes formes d'une nouvelle physique « au-delà du modèle standard », qui modifieraient le modèle standard de façon suffisamment subtile pour qu'il reste compatible avec les données existantes, tout en y apportant des rectifications suffisamment substantielles pour prédire les résultats selon le « modèle non standard » de nouvelles expériences qui seraient proposées.
Phénomènes non expliqués De façon inhérente, le modèle standard est incomplet. Il existe dans la nature des phénomènes physiques qu'il ne peut expliquer convenablement. La gravité : le modèle standard n'explique pas la gravité. L'approche naïve d'un simple ajout d'un « gravitonDont, s'il existe, les propriétés reçoivent un consensus considérable parmi les physiciens. » au modèle standard ne recrée pas ce qui est observé expérimentalement sans nécessiter aussitôt d'autres modifications encore non découvertes au modèle standard. De plus, le modèle standard est largement considéré comme incompatible avec la théorie de la gravitation la plus précise à ce jour, la relativité générale mais voir également . La matière noire et lénergie sombre. : les observations cosmologiques nous indiquent que le modèle standard n'explique qu'à peu près 4 % de l'énergie présente dans l'Univers. Des 96 % manquants, 27 % serait de la matière noire, qui se comporte exactement comme l'autre matière, mais n'interagit avec les champs du modèle standard qu'au moyen de l'interaction faible. Pourtant, le modèle standard ne présente aucune particule fondamentale comme bonne candidate pour la matière noire. Le reste des 96 % serait de l'énergie sombre, une densité d'énergie constante pour le vide. Les tentatives d'explication de l'énergie sombre en termes d'énergie du vide du modèle standard conduisent à une différence de de grandeurs.. La masse des neutrinos : selon le modèle standard, les neutrinos sont des particules sans masse. Cependant, des expériences sur l'oscillation des neutrinos ont montré qu'ils en ont effectivement une. La masse des neutrinos peut être rajoutée « à la main » au modèle standard, mais ceci conduit à de nouveaux problèmes théoriques. Par exemple, les termes de masse doivent nécessairement être extraordinairement petits, et on ne sait toujours pas si la masse des neutrinos leur vient comme elle vient aux autres particules fondamentales du modèle standard. Lasymétrie matière-antimatière : l'Univers est principalement constitué de matière. Cependant, le modèle standard prédit que la matière et l'antimatière ont dû être créées en quantités (presque) égales puisque les conditions initiales de l'Univers ne supposaient pas de disproportion entre l'une et l'autre. Pourtant, aucun mécanisme n'apparaît suffisant dans le modèle standard pour expliquer cette asymétrie.
Résultats expérimentaux non expliqués En physique des particules, c'est le niveau de (c'est-à-dire ) qui est le niveau largement admis pour qualifier le seuil d'une découverte scientifique. Or, de tous les résultats expérimentaux largement acceptés comme contradictoires au modèle standard, aucun n'est largement accepté comme le contredisant à ce niveau-là. Mais chaque expérience contient à quelques degrés des incertitudes statistiques ou systémiques. De plus, les prédictions théoriques ne sont pratiquement jamais calculées avec exactitude. Par surcroît, elles sont sujettes à des incertitudes dans la mesure des constantes fondamentales du modèle standard, certaines ténues, d'autres substantielles. On s'attend donc mathématiquement à ce que les résultats de quelques-unes des centaines d'expériences du modèle standard dérivent quelque peu de celui-ci, même sans découverte d'une « nouvelle physique ». À tout moment, il existe de nombreux résultats expérimentaux significativement différents des attentes du modèle standard, bien qu'on ait trouvé lors de la collecte de données supplémentaires que nombre d'entre eux étaient des hasards statistiques extraordinaires ou des erreurs expérimentales. D'un autre côté, toute physique « au-delà du modèle standard » devrait nécessairement se manifester expérimentalement en premier lieu par une différence statistique significative entre les résultats de l'expérience et ceux prédits théoriquement par le modèle standard.
Dans chaque cas, les physiciens cherchent à déterminer si un résultat constitue une simple coïncidence ou une erreur, d'un côté, ou bien, de l'autre, un signe d'une nouvelle physique. Des résultats statistiques supplémentaires concordants ne peuvent plus relever de la coïncidence, mais peuvent toujours résulter d'erreurs expérimentales ou d'une estimation imprécise de la précision expérimentale. Fréquemment, les expériences s'élaborent en vue d'une meilleure sensibilité aux résultats expérimentaux permettant de distinguer le modèle standard d'une alternative théorique.
Parmi les exemples les plus notoires se trouvent les suivants : lhydrogène muonique : le modèle standard présente des prédictions théoriques précises sur la taille du rayon atomique de l'hydrogène ordinaire, un système proton-électron, et celui de l'hydrogène muonique, un système proton-muon, dans lequel le muon est un variant « lourd » de l'électron. Mais la mesure effective diffère sensiblement de la prédiction en utilisant les constantes physiques existantes, d'un ordre de . Des doutes sur la précision de l'estimation de l'erreur dans les expériences antérieures, toujours située dans les 4 % mutuels dans la mesure d'une distance très ténue, et l'absence d'une théorie bien motivée pouvant expliquer les divergences ont rendu les physiciens hésitants quant à décrire ces résultats comme des contradictions au modèle standard, malgré l'apparence statistiquement significative du résultat et l'absence de toute possibilité clairement identifiée de source d'erreur expérimentale ;
BaBar : des résultats d'une expérience BaBar pourraient suggérer par rapport aux prédictions du modèle standard un surplus d'un type de désintégrations de particules appelées . Dans celle-ci, un électron et un positron entrent en collision, il en résulte un méson B et un méson d'antimatière B-barre, qui se désintègrent ensuite en un méson D et un lepton tau ainsi qu'un neutrino plus léger. Alors que le niveau de certitude de l'excès () n'est pas suffisant pour prétendre à une percée au-delà du modèle standard, ces résultats signalent potentiellement une anomalie et sont susceptibles d'avoir des conséquences sur les théories existantes, y compris celles qui tentent de déduire les propriétés du boson de Higgs..
Prédictions théoriques non observées Toutes les particules fondamentales prédites par le modèle standard ont été observées dans les accélérateurs de particules. Le boson de Higgs résulte du mécanisme de Higgs tel que l'explique le modèle standard, qui décrit comment est brisée la jauge de symétrie SU(2) et comment les particules fondamentales acquièrent de la masse. Il demeure (en date de 2014) la dernière particule prédite par le modèle standard à avoir été observée. Le , les scientifiques du CERN du grand collisionneur de hadrons (, LHC) ont annoncé la découverte d'une particule compatible avec le boson de Higgs, de masse approximative . L'existence d'un boson de Higgs a été confirmée le , alors même que l'on recherche encore la confirmation qu'il dispose de toutes les propriétés prévues par le modèle standard..
Certains hadrons, des particules composées de quarks, dont l'existence est prédite par le modèle standard, qui ne peuvent être produites qu'à de très hautes énergies, à très basses fréquence, n'ont pas encore été définitivement observés, et les « boules de gluons »., des particules composées de gluons, n'ont pas encore été définitivement observées non plus. Certaines désintégrations de particules à basse fréquence prédites par le modèle standard n'ont pas encore été définitivement observées non plus, les données permettant d'effectuer une observation statistique significative n'étant pas disponibles.
Problèmes théoriques
Certaines caractéristiques du modèle standard sont ajoutées de façon ad hoc. Elles ne constituent pas un problème en soi, c'est-à-dire que la théorie fonctionne convenablement avec ces caractéristiques ad hoc, mais elles suggèrent un défaut de compréhension. Ces caractéristiques ad hoc ont amené les théoriciens à explorer des voies nouvelles vers des théories plus fondamentales reposant sur un nombre inférieur de paramètres. Certaines des caractéristiques ad hoc sont : le problème de la hiérarchie. Le modèle standard introduit la masse des particules au travers d'un processus connu sous le nom de brisure spontanée de symétrie. Il résulte du champ de Higgs. À l'intérieur du modèle standard, la masse du Higgs admet certaines corrections quantiques très importantes du fait de la présence de particules virtuelles, principalement des quarks top virtuels. Ces corrections sont beaucoup plus grandes que la masse réelle du Higgs. Ceci signifie que le paramètre de du Higgs dans le modèle standard doit être finement ajusté de façon à annuler presque complètement les corrections quantiques. Ce niveau d'ajustement est estimé par de nombreux théoriciens comme non naturel ; le problème de la violation CP de l'interaction forte. On peut théoriquement soutenir que le modèle standard devrait contenir un terme qui brise la symétrie CP, celle qui relie la matière à l'antimatière dans le secteur de l'interaction faible. Cependant, aucune observation de ce genre de violation n'a eu lieu lors d'une expérience, ce qui suggère que le coefficient de ce terme est extrêmement proche de zéro. Cet ajustement fin est également considéré comme non naturel ; le nombre de paramètres. Le modèle standard dépend de numériques. Leur valeur est connue expérimentalement, mais l'origine de ces valeurs est inconnue. Certains théoriciens ont essayé d'établir des relations entre différents paramètres, par exemple entre les masses des particules de différentes générations.
Théories de la grande unification