標準モデル

素粒子物理学の標準モデルは、宇宙で知られている4つの基本的な力（電磁力、弱い相互作用と強い相互作用–重力は除く）のうち3つを説明し、すべての既知の素粒子を分類する理論です。これは、世界中の多くの科学者の研究を通じて20世紀後半を通して段階的に開発され、^[1] 1970年代半ばにクォークの存在が実験的に確認されたことで現在の定式化が完成しました。それ以来、トップクォーク（1995年）、タウニュートリノ（2000年）、ヒッグス粒子（2012年）の証明により、標準モデルの信頼性がさらに高まりました。さらに、標準モデルは、弱い中性カレントやWボソンとZボソンのさまざまな特性を非常に正確に 予測しています。

標準モデルは理論的には自己矛盾がないと考えられており^{[注 1] 、}実験予測を提供することにある程度成功していることが示されているが、いくつかの物理現象は説明できず、基本的な相互作用の完全な理論には至っていない。^[3]たとえば、なぜ物質が反物質よりも多いのかを完全に説明しておらず、一般相対性理論で説明される完全な重力理論^[4]を組み込んでおらず、暗黒エネルギーによって説明される可能性のある宇宙の加速膨張を説明していない。このモデルには、観測宇宙論から推定される必要な特性のすべてを備えた実行可能な暗黒物質粒子は含まれていない。また、ニュートリノ振動とそのゼロでない質量も組み込まれていない。

標準モデルの開発は、理論物理学者と実験物理学者の両方によって推進されました。標準モデルは、理論家にとっての量子場理論のパラダイムであり、自発的な対称性の破れ、異常、非摂動的な振る舞いなど、さまざまな現象を示します。標準モデルは、暗黒物質やニュートリノ振動の存在など、標準モデルと異なる実験結果を説明するために、仮想粒子、余剰次元、複雑な対称性（超対称性など）を組み込んだよりエキゾチックなモデルを構築するための基礎として使用されます。

1928年、ポール・ディラックは反物質の存在を示唆するディラック方程式を提唱した。

1954年、楊振寧とロバート・ミルズは、量子電磁力学などのアーベル群に対するゲージ理論の概念を非アーベル群に拡張し、強い相互作用を説明しました。^[5] 1957年、呉建雄は弱い相互作用ではパリティが保存されないことを実証しました。^[6]

1961年、シェルドン・グラショーは電磁相互作用と弱い相互作用を組み合わせました。^[7] 1964年、マレー・ゲルマンおよびジョージ・ツヴァイクはクォークを導入し、同年、オスカー・W・グリーンバーグは暗黙のうちにクォークの色荷を導入しました。^[8] 1967年、スティーブン・ワインバーグ^[9]およびアブドゥス・サラム^[10]はヒッグス機構^{[11] [12] [13]}をグラショーの電弱相互作用に組み込み、現代的な形を与えました。

1970年、シェルドン・グラショー、ジョン・イリオポロス、ルチアーノ・マイアーニはGIM機構を導入し、チャームクォークを予測した。^[14] 1973年、グロス、ウィルチェック、ポリツァーは独立に、強い力の色理論のような非アーベルゲージ理論が漸近自由度を持つことを発見した。^[14] 1976年、マーティン・パールはSLACでタウレプトンを発見した。^{[15] [16]} 1977年、フェルミ国立加速器研究所のレオン・レーダーマン率いるチームがボトムクォークを発見した。^[17]

ヒッグス機構は、標準モデルにおけるすべての素粒子の質量を生み出すと考えられている。これには、 WボソンとZボソンの質量、およびフェルミオン、つまりクォークとレプトンの質量が含まれる。

1973年にCERNでZボソン交換による中性弱電流が発見された後、^{[18] [19] [20] [21]}電弱理論が広く受け入れられ、グラショー、サラム、ワインバーグはそれを発見した功績で1979年のノーベル物理学賞を共同受賞した。W ^±ボソンとZ ⁰ボソンは1983年に実験的に発見され、その質量比は標準モデルが予測した通りであることがわかった。^[22]

強い相互作用の理論（量子色力学、QCD）は、多くの人が貢献し、1973年から1974年にかけて漸近的自由性が提案され^{[23] [24]}（この発展によりQCDは理論研究の主な焦点となった）^{[25] 、}ハドロンが分数電荷を持つクォークで構成されていることが実験で確認されたときに現代的な形を獲得した。^{[26] [27]}

「標準モデル」という用語は、1975年にアブラハム・パイスとサム・トレイマン^によって、 4つのクォークを持つ電弱理論を参照して導入されました。^[29] スティーブン・ワインバーグは、その後、謙虚さから標準モデルという用語を選択し、1973年にフランスのエクスアンプロヴァンスでの講演中に使用したと説明して優先権を主張しました。^{[ 30] [31] [32] [より良い情報源が必要]}

標準モデルには、いくつかのクラスの素粒子が含まれており、色荷などの他の特性によって区別することができます。

すべての粒子は次のように要約できます。

注記:
[†]反電子（
e⁺
）は慣例的に「陽電子」と呼ばれます。

標準モデルには、フェルミオンと呼ばれるスピン1 ⁄ 2の12 個の素粒子が含まれています。^{[34]フェルミオンは}パウリの排他原理に従います。つまり、2 つの同一のフェルミオンは、同じ原子内で同時に同じ量子状態を占めることはできません。^[35]各フェルミオンには対応する反粒子があり、反粒子は反対の電荷を除いて対応する特性を持つ粒子です。^[36]フェルミオンは、相互作用する方法 (相互作用する方法は運ぶ電荷によって決まります) に基づいて、クォークとレプトンの2 つのグループに分類されます。各グループ内では、同様の物理的動作を示す粒子のペアが世代にグループ化されます (表を参照)。世代の各メンバーは、前の世代の対応する粒子よりも質量が大きい。したがって、クォークとレプトンは 3 世代あります。^[37] 第一世代の粒子は崩壊しないため、すべて通常の (バリオン) 物質で構成されています。具体的には、すべての原子は原子核の周りを回る電子で構成され、最終的にはアップクォークとダウンクォークで構成されています。一方、第 2 世代と第 3 世代の荷電粒子は半減期が非常に短く崩壊し、高エネルギー環境でのみ観測できます。すべての世代のニュートリノも崩壊せず、宇宙に遍在しますが、バリオン物質と相互作用することはほとんどありません。

クォークにはアップ、ダウン、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトムの6種類がある。^{[34] [37]}クォークは色電荷を帯びているため、強い相互作用で相互作用する。色の閉じ込め現象により、クォークは強く結合し、ハドロンと呼ばれる色中立の複合粒子を形成する。クォークは個別には存在できず、常に他のクォークと結合している。ハドロンには、クォークと反クォークのペア（中間子）または3つのクォーク（重粒子）を含めることができる。^[38]最も軽い重粒子は核子、つまり陽子と中性子である。クォークは電荷と弱いアイソスピンも帯びているため、電磁気学と弱い相互作用で他のフェルミオンと相互作用する。6つのレプトンは、電子、電子ニュートリノ、ミューオン、ミューオンニュートリノ、タウ、タウニュートリノで構成される。レプトンは色電荷を持たず、強い相互作用には反応しません。主なレプトンは-1 eの電荷を持ち、3 つのニュートリノは中性の電荷を持ちます。したがって、ニュートリノの運動は弱い相互作用と重力によってのみ影響を受け、観測が困難です。

標準モデルにはスピン1の4 種類のゲージボソンが含まれています^[34]。ボソンは整数スピンを含む量子粒子です。ゲージボソンは力の運搬体として定義され、基本的な相互作用を媒介する役割を果たします。標準モデルでは、4 つの基本的な力が相互作用から生じ、フェルミオンが仮想の力の運搬体粒子を交換することで力が媒介されると説明しています。マクロなスケールでは、これは力として現れます。^[40]その結果、それらはフェルミオンを制約するパウリの排他原理に従わず、ボソンには空間密度に対する理論的な制限がありません。ゲージボソンの種類については以下で説明します。

• 電磁気学:光子は電磁力を媒介し、電荷を帯びた粒子間の相互作用を担います。光子は質量がなく、量子電磁力学(QED)の理論によって説明されます。
• 強い相互作用:グルーオンは、色電荷に影響を与えることでクォーク同士を結びつける強い相互作用を媒介します。この相互作用は量子色力学(QCD)の理論で説明されています。グルーオンには質量がなく、8 つの異なるグルーオンがあり、それぞれが色電荷と反色電荷の組み合わせ (例: 赤と反緑) で表されます。^{[注 2]}グルーオンには有効な色電荷があるため、グルーオン同士も相互作用することができます。
• 弱い相互作用：
  わ⁺
  、
  わ⁻
  、 そして
  ず
  ゲージボソンはすべてのフェルミオン間の弱い相互作用を媒介し、放射能の原因となる。ゲージボソンは質量を持ち、
  ず
  質量が大きい
  わ^±
  弱い相互作用は、
  わ^±
  左巻き粒子と右巻き反粒子にのみ作用する。
  わ^±
  +1と-1の電荷を持ち、電磁相互作用と結合する。電気的に中性である
  ず
  ボソンは左巻き粒子と右巻き反粒子の両方と相互作用します。これら 3 つのゲージボソンは光子とともにグループ化され、集合的に電弱相互作用を媒介します。
• 重力：標準モデルでは説明できない。仮説上の媒介粒子である重力子は提案されているが、観測されていない。^[42]これは量子力学とアインシュタインの一般相対性理論が両立しないためであり、重力を最もよく説明すると考えられている。一般相対性理論では、重力は時空の幾何学的湾曲として説明される。^[43]

ファインマン図の計算は、摂動論近似のグラフィカルな表現であり、「力を媒介する粒子」を呼び出し、高エネルギー散乱実験の分析に適用すると、データと十分に一致します。ただし、摂動論 (およびそれに伴う「力を媒介する粒子」の概念) は、他の状況では機能しません。これには、低エネルギー量子色力学、束縛状態、およびソリトンが含まれます。標準モデルによって記述されるすべての粒子間の相互作用は、このセクションの右側の図にまとめられています。

ヒッグス粒子は、ピーター・ヒッグス（および他の研究者）が1964年に理論化した質量を持つスカラー素粒子であり、ゴールドストーンの1962年の定理（自発的に破れる一般的な連続対称性）が質量を持つベクトル場の3番目の偏極を提供することを示した。したがって、ゴールドストーンの元のスカラー二重項、つまり質量を持つスピンゼロ粒子はヒッグス粒子として提案され、標準モデルの重要な構成要素となっている。^{[44]ヒッグス粒子には固有の}スピンがないため、スピン0の粒子として分類されている。 ^[34]

ヒッグス粒子は、光子とグルーオン以外の他の素粒子が質量を持つ理由を説明することで、標準モデルにおいて独特の役割を果たしています。特に、ヒッグス粒子は、光子が質量を持たないのに対し、 W 粒子と Z 粒子が非常に重い理由を説明します。素粒子の質量と、電磁気力(光子によって媒介される) と弱い力(W 粒子と Z 粒子によって媒介される)の違いは、微視的 (したがって巨視的) 物質の構造の多くの側面にとって重要です。電弱理論では、ヒッグス粒子はレプトン (電子、ミューオン、タウ) とクォークの質量を生成します。ヒッグス粒子は質量があるため、自分自身と相互作用する必要があります。

ヒッグス粒子は非常に質量の大きい粒子であり、生成されるとすぐに崩壊するため、非常に高エネルギーの粒子加速器でしか観測・記録することができない。CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を使用してヒッグス粒子の性質を確認し決定する実験は2010年初頭に始まり、2011年後半に閉鎖されるまでフェルミ国立加速器研究所のテバトロンで行われた。標準モデルの数学的整合性は、素粒子の質量を生成できるメカニズムが、 1000万キロワット以上のエネルギーで可視化される必要があることを要求する^{[説明が必要]。}1.4  TeV ; ^[45]そのため、LHC（2つのヒッグス粒子が実際に存在するかどうかという疑問に答えるために、7TeV陽子ビームによる実験が行われた。 ^[46]

2012年7月4日、LHCの2つの実験（ATLASとCMS）は、それぞれ独立して、質量が約1.5gの新しい粒子を発見したと報告した。125  GeV/ c ²（約133陽子質量、10 ⁻²⁵  kg）、これは「ヒッグス粒子と一致する」。^{[47] [48]} 2013年3月13日に、それが探索されていたヒッグス粒子であることが確認された。^{[49] [50]}

技術的には、量子場の理論は標準モデルの数学的枠組みを提供し、その中でラグランジアンによって理論のダイナミクスと運動学が制御されます。各種の粒子は、時空に浸透する動的場によって記述されます。^[51]標準モデルの構築は、ほとんどの場の理論を構築する現代的な方法に従って進められます。つまり、最初にシステムの一連の対称性を仮定し、次にその粒子（場）の内容から、これらの対称性を観察する 最も一般的な繰り込み可能なラグランジアン を書き出すという方法です。

グローバルポアンカレ対称性は、すべての相対論的量子場理論に対して仮定されています。これは、よく知られている並進対称性、回転対称性、および 特殊相対性理論の中心となる慣性基準フレーム不変性から構成されます。ローカルSU(3)×SU(2)×U(1)ゲージ対称性は、本質的に標準モデルを定義する内部対称性です。大まかに言えば、ゲージ対称性の 3 つの要素が 3 つの基本的な相互作用を引き起こします。フィールドは、標準モデルのさまざまな対称グループのさまざまな表現に分類されます (表を参照)。最も一般的なラグランジアンを書くと、ダイナミクスは 19 個のパラメータに依存し、その数値は実験によって確立されることがわかります。パラメータは、上の表にまとめられています ([表示] をクリックすると表示されます)。

量子色力学（QCD）セクターは、 SU(3)対称性を持つヤン・ミルズゲージ理論であるクォークとグルーオンの相互作用を定義し、によって生成される。レプトンはグルーオンと相互作用しないため、このセクターの影響を受けない。グルーオン場と結合したクォークのディラックラグランジアンは次のように与えられる。 ${\displaystyle T^{a}=\lambda^{a}/2}$

$${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{QCD}}={\overline {\psi }}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }\psi -{\frac {1}{ 4}}G_{\mu \nu }^{a}G_{a}^{\mu \nu },}$$

ここで、はディラックスピノルの3成分列ベクトルであり、各要素は特定の色電荷（赤、青、緑）を持つクォーク場を参照し、フレーバー（アップ、ダウン、ストレンジなど）の合計が暗黙的に示されます。 ${\displaystyle \psi}$

QCDのゲージ共変微分は次のように定義される。ここで ${\displaystyle D_{\mu}\equiv \partial _{\mu}-ig_{s}{\frac {1}{2}}\lambda ^{a}G_{\mu}^{a}}$

• γ ^{μ は}ディラック行列であり、
• グ^1μ
  _​は8成分（）SU(3)ゲージ場であり、${\displaystyle a=1,2,\dots ,8}$
• λ^1つの
  は3×3ゲルマン行列であり、SU(3)色群の生成元である。
• グ^μν
  _のはグルーオン場の強度テンソルを表し、
• g _{s は}強結合定数です。

QCDラグランジアンは、局所SU(3)ゲージ変換、すなわち形式の変換に対して不変である。ここで、は行列式1を持つユニタリ行列であり、SU(3)群のメンバーであり、は時空の任意の関数である。 ${\displaystyle \psi \rightarrow \psi '=U\psi }$${\displaystyle U=e^{-ig_{s}\lambda ^{a}\phi ^{a}(x)}}$${\displaystyle 3\times 3}$${\displaystyle \phi ^{a}(x)}$

電弱セクターは対称群U(1) × SU(2) _Lを持つヤン・ミルズゲージ理論であり、

$${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{EW}}={\overline {Q}}_{Lj}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }Q_{Lj}+{\overline {u}}_{Rj}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }u_{Rj}+{\overline {d}}_{Rj}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }d_{Rj}+{\overline {\ell }}_{Lj}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }\ell _{Lj}+{\overline {e}}_{Rj}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }e_{Rj}-{\tfrac {1}{4}}W_{a}^{\mu \nu }W_{\mu \nu }^{a}-{\tfrac {1}{4}}B^{\mu \nu }B_{\mu \nu },}$$

ここで、下付き文字はフェルミオンの 3 世代にわたる合計です。、およびは、左巻きの二重項、右巻きの単一項アップ タイプ、および右巻きの単一項ダウン タイプのクォーク場です。およびおよびは、左巻きの二重項と右巻きの単一項のレプトン場です。 ${\displaystyle j}$${\displaystyle Q_{L},u_{R}}$${\displaystyle d_{R}}$${\displaystyle \ell _{L}}$${\displaystyle e_{R}}$

電弱ゲージ共変微分は次のように定義される。ここで ${\displaystyle D_{\mu }\equiv \partial _{\mu }-ig'{\tfrac {1}{2}}Y_{\text{W}}B_{\mu }-ig{\tfrac {1}{2}}{\vec {\tau }}_{\text{L}}{\vec {W}}_{\mu }}$

• B _μはU(1)ゲージ場であり、
• Y _{W は}弱超荷電、つまり U(1) 群の生成元であり
• W → _μは3成分SU(2)ゲージ場であり、
• τ _L → はパウリ行列（SU(2)群の無限小生成子）であり、添え字Lは左カイラルフェルミオンにのみ作用することを示す。
• g'とgはそれぞれU(1)とSU(2)の結合定数であり、
• ${\displaystyle W^{a\mu \nu }}$（）およびは、弱アイソスピン場と弱ハイパーチャージ場の場強度テンソルである。${\displaystyle a=1,2,3}$${\displaystyle B^{\mu \nu }}$

フェルミオン質量項を電弱ラグランジアンに加えることは禁止されていることに注意してください。これは、この形式の項がU(1) × SU(2) _Lゲージ不変性を尊重しないからです。また、U(1) および SU(2) ゲージ場の明示的な質量項を加えることもできません。ヒッグス機構はゲージボソン質量の生成を担い、フェルミオン質量はヒッグス場との湯川型相互作用から生じます。 ${\displaystyle m{\overline {\psi }}\psi }$

標準モデルでは、ヒッグス場は4 つの自由度を持つ 複素スカラー場の二重項です。${\displaystyle \operatorname {SU} (2)_{\text{L}}}$

$${\displaystyle \varphi ={\begin{pmatrix}\varphi ^{+}\\\varphi ^{0}\end{pmatrix}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}\varphi _{1}+i\varphi _{2}\\\varphi _{3}+i\varphi _{4}\end{pmatrix}},}$$ここで、上付き文字 + と 0 は、成分の 電荷を示します。両方の成分の弱い超電荷は 1 です。対称性が破れる前、ヒッグスのラグランジアンは 次のようになります。ここで、は上で定義した電弱ゲージ共変微分であり、はヒッグス場のポテンシャルです。共変微分の 2 乗により、電弱ゲージ場およびとスカラー場の間に 3 点および 4 点の相互作用が生じます。スカラーポテンシャルは で与えられます。 ここで、 は非ゼロの真空期待値を取得し、これにより電弱ゲージ場 (ヒッグス機構) に質量が生成され、 となるため、ポテンシャルは下から制限されます。4 次項は、スカラー場 の自己相互作用を表します。 ${\displaystyle Q}$${\displaystyle Y_{\text{W}}}$$${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left(D_{\mu }\varphi \right)^{\dagger }\left(D^{\mu }\varphi \right)-V(\varphi ),}$$${\displaystyle D_{\mu }}$${\displaystyle V(\varphi )}$${\displaystyle W_{\mu }^{a}}$${\displaystyle B_{\mu }}$${\displaystyle \varphi }$$${\displaystyle V(\varphi )=-\mu ^{2}\varphi ^{\dagger }\varphi +\lambda \left(\varphi ^{\dagger }\varphi \right)^{2},}$$${\displaystyle \mu ^{2}>0}$${\displaystyle \varphi }$${\displaystyle \lambda >0}$${\displaystyle \varphi }$

ポテンシャルの最小値は、無限個の等価な基底状態解を持つ縮退しており、これは のときに発生します。に対してゲージ変換を実行して、基底状態をおよび の基底に変換することが可能です。これにより、基底状態の対称性が破れます。 の期待値は となり、 は質量の単位を持ち、電弱物理のスケールを設定します。これは標準モデルの唯一の次元パラメータであり、測定値は ~ です。${\displaystyle \varphi ^{\dagger }\varphi ={\tfrac {\mu ^{2}}{2\lambda }}}$${\displaystyle \varphi }$${\displaystyle \varphi _{1}=\varphi _{2}=\varphi _{4}=0}$${\displaystyle \varphi _{3}={\tfrac {\mu }{\sqrt {\lambda }}}\equiv v}$${\displaystyle \varphi }$$${\displaystyle \langle \varphi \rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}0\\v\end{pmatrix}},}$$${\displaystyle v}$246 GeV/ c ²。

対称性が破れた後、との質量はおよびで与えられ、これは理論の予測とみなすことができます。光子は質量がないままです。ヒッグス粒子の質量は です。と は自由パラメータであるため、ヒッグスの質量は事前に予測できず、実験的に決定する必要がありました。 ${\displaystyle {\text{W}}}$${\displaystyle {\text{Z}}}$${\displaystyle m_{\text{W}}={\frac {1}{2}}gv}$${\displaystyle m_{\text{Z}}={\frac {1}{2}}{\sqrt {g^{2}+g'^{2}}}v}$${\displaystyle m_{\text{H}}={\sqrt {2\mu ^{2}}}={\sqrt {2\lambda }}v}$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \lambda }$

湯川相互作用項は次のとおりです。

$${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{Yukawa}}=(Y_{\text{u}})_{mn}({\bar {Q}}_{\text{L}})_{m}{\tilde {\varphi }}(u_{\text{R}})_{n}+(Y_{\text{d}})_{mn}({\bar {Q}}_{\text{L}})_{m}\varphi (d_{\text{R}})_{n}+(Y_{\text{e}})_{mn}({\bar {\ell }}_{\text{L}})_{m}{\varphi }(e_{\text{R}})_{n}+\mathrm {h.c.} }$$

ここで、、、は3×3の湯川結合行列で、mn項は世代mとnの結合を与え、hcは前の項のエルミート共役を意味します。場と は左巻きのクォークとレプトンの二重項です。同様に、と は右巻きのアップタイプクォーク、ダウンタイプクォーク、レプトン一重項です。最後に はヒッグスの二重項で、 はその電荷共役状態です。 ${\displaystyle Y_{\text{u}}}$${\displaystyle Y_{\text{d}}}$${\displaystyle Y_{\text{e}}}$${\displaystyle Q_{\text{L}}}$${\displaystyle \ell _{\text{L}}}$${\displaystyle u_{\text{R}},d_{\text{R}}}$${\displaystyle e_{\text{R}}}$${\displaystyle \varphi }$${\displaystyle {\tilde {\varphi }}=i\tau _{2}\varphi ^{*}}$

湯川項は標準モデルのゲージ対称性の下では不変であり、自発的な対称性の破れ後にすべてのフェルミオンに質量を生成します。 ${\displaystyle \operatorname {SU} (2)_{\text{L}}\times \operatorname {U} (1)_{\text{Y}}}$

標準モデルは自然界の4つの基本的な相互作用のうち3つを説明していますが、重力だけが未解明のままです。標準モデルでは、そのような相互作用は、電磁力の場合は光子、強い相互作用の場合はグルーオンなど、影響を受ける物体間のボソンの交換として説明されます。これらの粒子は力の運搬者またはメッセンジャー粒子と呼ばれます。^[52]

おそらく最もよく知られている基本的な相互作用であるにもかかわらず、一般相対性理論、現代の重力理論、量子力学を組み合わせたときに生じる矛盾のため、重力は標準モデルでは説明できません。しかし、重力はミクロスケールでは非常に弱いため、本質的に測定できません。重力子はその媒介粒子であると仮定されていますが、まだ存在が証明されていません。

電磁力は標準モデルにおける唯一の長距離力である。それは光子によって媒介され、電荷と結合する。^{[54]電磁力は}原子電子殻構造、化学結合、電気回路、電子機器など、幅広い現象の原因となっている。標準モデルにおける電磁相互作用は量子電磁力学によって記述される。

弱い相互作用は、ベータ崩壊などのさまざまな形態の粒子崩壊の原因です。弱い相互作用は、弱い媒介粒子である W ボソンと Z ボソンが質量を持つため、弱く短距離です。W ボソンは電荷を持ち、粒子の種類 (フレーバーと呼ばれる) と電荷を変更する相互作用を媒介します。W ボソンが媒介する相互作用は荷電カレント相互作用です。Z ボソンは中性であり、粒子のフレーバーを変更しない中性カレント相互作用を媒介します。したがって、Z ボソンは、質量がありニュートリノと相互作用することを除けば、光子に似ています。弱い相互作用は、パリティとCPに違反する唯一の相互作用でもあります。W ボソンは左巻きのフェルミオンと右巻きの反フェルミオンとのみ相互作用するため、パリティの違反は荷電カレント相互作用で最大になります。

標準モデルでは、弱い力は電弱理論の観点から理解されており、これは、弱い相互作用と電磁相互作用が高エネルギーで単一の電弱相互作用に統合されると述べています。

強い核力はハドロンと原子核の結合に関与しています。これはグルーオンによって媒介され、グルーオンは色電荷と結合します。グルーオン自体が色電荷を持っているため、強い力は閉じ込めと漸近的自由を示します。閉じ込めとは、色中性粒子だけが孤立して存在できることを意味し、したがって、低エネルギーではクォークはハドロン内にのみ存在でき、孤立して存在することはできません。漸近的自由とは、エネルギー スケールが増加するにつれて強い力が弱くなることを意味します。強い力は、それぞれのスケールで、原子核とハドロン内の陽子とクォークの静電反発力をそれぞれ打ち負かします。

クォークは、グルーオンによって媒介される基本的な強い相互作用によってハドロンに束縛されているのに対し、核子は、残留強い力または核力と呼ばれる出現現象によって束縛されています。この相互作用は、パイ中間子などの中間子によって媒介されます。核子内部の色電荷は相殺され、つまり、グルーオンとクォークの場のほとんどが核子の外側で相殺されます。ただし、一部の残留物は「漏れ」、仮想中間子の交換として現れ、核子間の引力を引き起こします。（基本的な）強い相互作用は、標準モデルの構成要素である量子色力学によって説明されます。

標準モデルは、Wボソン、Zボソン、グルーオン、トップクォーク、チャームクォークの存在を予測し、これらの粒子が観測される前にそれらの多くの特性を予測しました。予測は実験的に高い精度で確認されました。^[55]

標準モデルはヒッグス粒子の存在も予測しており、2012年に大型ハドロン衝突型加速器で発見されたヒッグス粒子は、標準モデルによって実験的に確認されると予測された最後の基本粒子である。^[56]

標準モデル（現在は経路積分によって量子化された非アーベルゲージ理論として定式化されている）の自己無撞着性は数学的に証明されていない。近似計算に有用な正規化バージョン（例えば格子ゲージ理論）は存在するが、それらがレギュレータが除去された極限で収束するかどうか（S行列要素の意味で）は分かっていない。無撞着性に関連する重要な問題は、ヤン・ミルズの存在と質量ギャップの問題である。

実験ではニュートリノが質量を持つことが示されていますが、これは古典的な標準モデルでは許されていません。 ^[57]この発見に対応するために、古典的な標準モデルを修正してニュートリノの質量を含めることができますが、これをどのように行うべきかは明らかではありません。

標準モデルの粒子だけを使うことにこだわるなら、レプトンとヒッグス粒子の非繰り込み可能な相互作用を加えることでこれを達成できる。^[58]根本的なレベルでは、そのような相互作用は、重い右巻きニュートリノが理論に追加されたシーソー機構で現れる。これは、標準モデルの左右対称拡張^{[59] [60]}や特定の大統一理論では自然なことである。^{[61] 10 14} GeVまたはその付近で新しい物理が出現する限り、ニュートリノ質量は適切な大きさのオーダーになり得る。

理論的および実験的研究は、標準モデルを統一場理論または万物の理論、つまり定数を含むすべての物理現象を説明する完全な理論に拡張しようと試みてきました。このような研究の動機となる標準モデルの不備には、次のものがあります。

• このモデルは重力を説明していないが、重力子として知られる理論上の粒子の物理的確認は、ある程度それを説明できるだろう。標準モデルは強い相互作用と電弱相互作用を扱っているが、量子場の理論の観点から重力の標準理論である一般相対性理論を一貫して説明していない。その理由は、とりわけ、重力の量子場の理論は一般にプランクスケールに達する前に破綻してしまうためである。結果として、非常に初期の宇宙に関する信頼できる理論はない。
• 一部の物理学者は、このモデルは場当たり的で洗練されていないと考えており、無関係で恣意的な19個の定数を必要としている。^[62]現在の標準モデルでは、ニュートリノが質量を持つ理由を説明できるが、ニュートリノの質量の詳細は依然として不明である。ニュートリノの質量を説明するには、さらに7つか8つの定数が必要と考えられており、これらも任意のパラメータである。^[63]
• ヒッグス機構は、高エネルギースケールで何らかの新しい物理（ヒッグスと結合したもの）が存在する場合、階層問題を引き起こす。これらの場合、弱いスケールをプランクスケールよりもはるかに小さくするためには、パラメータの厳密な微調整が必​​要である。しかし、量子重力を含む他のシナリオでは、そのような微調整を回避できる。^{[64]また、}量子自明性の問題もあり、これは、基本的なスカラー粒子を含む一貫した量子場理論を作成することができない可能性があることを示唆している。^[65]
• このモデルは、宇宙論の新たなラムダCDMモデルと矛盾している。議論の1つは、観測された冷たい暗黒物質（CDM）の量と暗黒エネルギーへの寄与が桁違いに大きいことに対する説明が素粒子物理学の標準モデルにはないことである。また、観測された物質が反物質より優勢であること（物質/反物質の 非対称性）を受け入れることも難しい。遠距離にわたる可視宇宙の等方性と均質性には、標準モデルの拡張を構成する宇宙インフレーションのようなメカニズムが必要であると思われる。

現在、提案されている万物理論はどれも広く受け入れられたり検証されたりしていません。

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