一、場論與粒子物理總體發展現狀
從 1897 年發現電子到 2012 年發現希格斯粒子，實驗和理論物理學家經過一個多世紀的不懈努力，深刻理解了物質世界的微觀結構，建立了正確描述電磁力、強核力和弱核力的標準理論——粒子物理學的標準模型(圖 1)。標準模型由電弱統一理論和量子色動力學兩大板塊構成，包含夸克和輕子以及傳遞相互作用的玻色子，其理論基礎可以概括如下：①集狹義相對論和量子力學之大成的量子場論;②由特殊幺正群 SU(3)C×SU(2)L×U(1)Y 所描述的定域規范對稱性，分別對應色量子數守恒的強相互作用、宇稱最大程度破壞的弱相互作用和電荷守恒的電磁相互作用;③導致電弱對稱性自發破缺的布勞特−恩格勒−希格斯機制，使傳遞弱相互作用的 W± 和 Z0 玻色子以及所有帶電費米子獲得質量;④可重正性。
圖 1 粒子物理學的標準模型
盡管標準模型的有效性和預言能力從貝塔衰變所代表的低能標到大型強子對撞機正在探索的能量前沿都得到了眾多實驗的有力驗證，且該理論與宇宙學的結合也極大地促進了人類對宇宙早期演化動力學機制的理解和描述，但它仍然不夠完備。首先，標準模型的群結構表明它并非真正意義上的統一理論，含有過多自由參數(尤其是與夸克和輕子相關的“味”參數)。其次，標準模型在定量解決低能非微擾問題方面依然面臨諸多困難。再次，該理論甚至未能定性理解中微子的質量起源，也未能提供暗物質粒子的合適候選者。最后，該理論與已知的量子引力理論尚無任何實質性、可檢驗的關聯。標準模型的理論框架本身存在的諸如此類的局限性，以及近年來實驗觀測到的若干“反常”現象，成為探索超越標準模型的新物理的強烈動機。
構建包含量子引力的紫外完備理論，并在電弱能標以有效場論的形式還原標準模型的基本特征以及克服其弱點，是弦論等形式理論研究的主旋律之一。近年來，針對標準模型有效場論的研究幾乎臻于極致，與此相關的還包括希格斯有效場論和中微子有效場論等。這些重要進展也為精確檢驗標準模型和尋找新物理提供了有力的理論工具。
得益于眾多高精度的實驗結果，粒子物理學的其他理論研究方向也取得了令人振奮的長足進展。在能量前沿，主要研究對象包括希格斯粒子和頂夸克的性質、電弱對稱性自發破缺的動力學以及可能的新粒子和新相互作用形式;在亮度前沿，針對重強子衰變、奇特強子態、帶電輕子的性質、中微子振蕩等重要科學問題的研究取得了一系列重要成果;在宇宙學前沿，針對中微子和暗物質的粒子屬性的研究方興未艾。下面將對上述主要方向的發展趨勢逐一介紹。
二、場論與粒子物理的發展趨勢和展望
1. 形式理論
21 世紀以來，場論與粒子物理的形式理論研究取得了重要進展;它們集中在場論、引力與弦論、數學物理等領域的交叉前沿，例如，場論與引力高精度計算的新方法、散射振幅新形式、規范−引力對偶、非微擾和嚴格求解方法等。這些進展的共同特點是大大加深了我們對量子場論本身的理解，這將對基礎理論的發展起到非常重要的作用。
散射振幅是量子場論的核心概念，是聯系理論和高能實驗的橋梁。相關研究的原始動機來源于其在對比理論與實驗數據方面的重要應用價值：無論是現有的還是未來的高能實驗，都需要更加精確、快速地計算場論振幅;引力和彎曲時空場論的微擾計算對引力波、早期宇宙等物理也有重要意義。在應對高精度計算的挑戰中，人們發展了比費曼圖更有效的微擾計算方法(例如在殼方法)，揭示了在傳統場論框架中很難理解的新結構(例如，規范場、引力和弦論隱藏對稱性及其內在聯系)，乃至發現了振幅新的表述形式(例如 CHY 形式、振幅多面體等)。近年來，振幅相關研究進展極其迅速，已成為最受關注的形式理論方向之一。從規范場論和引力振幅的數學結構到量子色動力學的實際計算，從高圈積分的解析性質到振幅與數學的交叉，該方向直接聯系了粒子物理、場論基礎、數學、引力與弦論等諸多領域。
散射振幅等方向的進展促使我們重新思考諸如規范不變性、定域性、因果律、時空等基本概念，甚至在特定理論中找到了量子場論新的表述形式，例如，從振幅多面體等純粹幾何的表述中，滿足相對論和量子力學原理的散射振幅會自然出現，從而在特殊情形下實現了量子場和時空本身從幾何中涌現(emergent)。這些進展深化了我們對基礎理論的理解，催生了新的數學方向，并為從量子場論出發解決量子引力、時空本質等問題提供了新的思路(圖2)。
過去 20 年人們發現了以規范−引力對偶(AdS/CFT)為代表的一系列場論和弦論中的對偶性：例如，被稱為“21 世紀的諧振子”的最大超對稱楊−米爾斯理論(N=4 SYM)與 AdS 空間中的引力存在強弱對偶;這一對偶定義了 AdS 空間的量子引力，大大加深了人們對黑洞量子性質、全息與量子糾纏等方面的理解，更是首次實現了 N=4 SYM 中物理量的非微擾計算和嚴格求解。AdS/CFT 思想已經被推廣和應用到量子信息、夸克−膠子等離子體、強關聯系統、凝聚態物理等諸多領域。與之相關，共形場論不僅對偶于量子引力，更是深入理解量子場論及其分類的前提(包括無法用拉氏量描述的場論)。該方向的重要問題包括推動共形場論的非微擾計算(例如自舉方法)，發展量子可積模型，乃至研究更一般的強耦合理論。
圖 2 散射振幅及其相關研究方向
現代物理學和數學的聯系越發緊密，尤其是場論和弦論的研究與代數、微分幾何、拓撲等方向相互促進。例如，弦論研究與Calabi-Yau 流形、鏡像對稱性、拓撲不變量等，上述振幅研究直接推動了若干新興的數學方向(例如正幾何、叢代數等)。我們期待物理與數學在未來發生更多美妙而有重要應用的交叉。
2. 標準模型有效場論
物理現象是豐富甚至繁雜的，物理研究則從簡單、理想的物理體系出發。在理想體系中，我們將小的量(比如特征長度、質量)置零、將大的量看作無窮大，這樣建立的理論能對現象進行簡潔而有效的描述，而真實體系對理想體系的偏離，可以通過對小的量或大的量之倒數做微擾展開逐階包括進來。因此，在這個意義上，物理理論都是有效理論;而小或大是相對所研究的現象而言的，因此，每一個有效理論都有其有限的適用范圍。在高速運動的微觀世界，物理現象受量子論和狹義相對論支配，這樣建立的理論即量子場論?，F代觀念認為，量子場論也是有效理論，簡稱為有效場論(EFT)。
粒子物理標準模型(SM)在解釋實驗結果方面取得了巨大成功。按有效場論的觀念，標準模型針對的也是理想情形：除了標準模型的粒子，不存在比電弱能標ΛEW ≈ 100GeV/c2 更輕的粒子，比 ΛEW 更重的粒子如果存在的話，其質量對應的能量遠超目前實驗能達到的范圍，可以看作無窮大，因此它是一個可重整的場論。由于標準模型未能回答一些基礎性理論問題，我們相信在更高的能標 ΛNP?ΛEW 存在新物理。因此，在有效場論框架下，標準模型對應于 ΛNP=∞ 極限下的相互作用，很大但有限的 ΛNP 則誘導出有效耦合參數(稱為 Wilson 系數)被 1/ΛNP 壓低的有效相互作用，此即標準模型有效場論(SMEFT)。
SMEFT 適用于新物理能標ΛNP 和電弱能標ΛEW 之間的能區，只包括 SM 量子場，遵循其規范對稱性 SU(3)C×SU(2)L×U(1)Y，但一般會破壞 SM 中的偶然對稱性，如重子數 B 和輕子數 L 守恒。事實上，隨著 1/ΛNP 展開階增高，有效相互作用包含的高量剛算符呈現出不同的 B、L 守恒或破壞特征。SM 相互作用對應于量綱不超過 4(取自然單位制及質量量綱為 1)的完備而獨立的算符集，它們保持 B−L 守恒。量綱 5 算符是唯一的，在電弱對稱性自發破缺后給出中微子的馬約拉納(Majorana)質量，因此破壞 L 兩個單位;量綱 6 完備而獨立的算符集于 2010 年完全確立，其大部分算符保持 B、L 守恒，少數算符分別破壞 B、L 各一個單位但保持B−L 守恒。近幾年來，完備而獨立的 SMEFT 算符集已經推進到量綱 12 水平。比如，量綱 7 算符分為兩組，其中一組 B 守恒但 L 破壞兩個單位，另一組 B、L 各破壞一個單位但 B+L 守恒。這些守恒律或其破壞特征將導致不同的物理效應，如質子衰變模式、中子反中子振蕩、原子核的無中微子雙 β 衰變等;一般來說，它們可能來源于不同的高能標新物理。
從唯象學角度看，SMEFT 的一個顯著優勢是其普適性。在滿足前述一般性假設下，ΛNP 能標新物理的動力學細節體現在 SMEFT中威爾遜(Wilson)系數上，而框架本身是通用的。在唯象學研究中，可以利用所有實驗數據限定這些未知系數，所得結果在一定程度上是一勞永逸的—任何高能標新物理都必須滿足這些限定條件。近年來，人們針對高能對撞機特別是大型強子對撞機(LHC)，系統研究了量綱 6 算符對 SM 粒子參與的過程的影響，評估了未計入的更高量綱算符帶來的理論不確定性。研究主要集中在兩個運動學區域，即 SM 粒子在殼或近閾產生和衰變的過程，以及運動學分布的高能端。針對前一個區域高統計量及在殼三粒子過程主導的特點，人們發展了 SMEFT 的幾何表述形式(geometric formulation);高能端統計量小，但高量剛算符的貢獻得到提升。人們開發了一些軟件和算法，以便在合理評估理論不確定性的基礎上，利用 LHC實驗數據獲取盡可能精確的限制。未來發展將集中在幾個方面，如：納入 SMEFT 更高階的結果，開發擬合新算法，研究對 SM 參數及 Wilson 系數進行整體擬合等。SMEFT 唯象學研究的另一個重點則針對低能高亮度實驗，包括夸克和輕子味物理，特別是輕子數破壞的過程，發展了相應的低能有效場論。目前，關于原子核無中微子雙 β 衰變的粒子物理分析基本完善，原子核矩陣元的不確定性有待核物理界進一步改善;涉及第二代費米子的輕子數破壞已有一些研究，但亟須研究高亮度的觀測手段。
如何利用 Wilson 系數的唯象學限制來排除、挑選可能的新物理理論?這涉及具體的高能標理論與 SMEFT 之間的匹配(matching)計算問題。傳統方法一般基于費曼(Feynman)振幅來確定 Wilson系數，在單圈水平變得很復雜。近年來，人們借助于泛函(路徑積分)方法，結合規范協變導數展開和圈動量區域積分，發展了高效的單圈水平匹配計算方案。目前，多個研究組開發了自動化程度較高的匹配計算軟件，并在開發與其他軟件的接口。該方案的有效性已在若干熱門的新物理模型匹配計算中得到驗證，人們在嘗試將其推廣到其他的有效場論(如軟共線有效理論)。此外，一個有趣的理論進展是，如果有效場論存在一個自洽的紫外完備理論，因果性和幺正性將對散射振幅施加限制性很強的色散關系，從而得到有效場論 Wilson 系數必須滿足的正定性條件。這些正定性約束甚至可以是非線性的，因此有可能給出 Wilson 系數必須滿足的上下限，這意味著有效場論的參數空間中，只有某些區域對應于自洽的紫外完備理論。有效場論方法還被應用于其他學科分支的研究并取得有趣的新成果，如宇宙大尺度結構和暴脹，引力波天文學，以及凝聚態物理中的非平衡態現象、費米與非費米液體、物質的奇特激發態分形子(fracton)，等等。
3. 希格斯與頂夸克物理
粒子物理電弱標準模型的核心是部分統一的電磁與弱相互作用的規范理論。作為非阿貝爾規范相互作用，三種弱規范玻色子的靜止質量本應為零，但與實驗觀測相矛盾。另外，弱相互作用對宇稱守恒定律的破壞，導致標準模型費米子的質量項會明顯地破壞弱SU(2) 的對稱性。因此，標準模型的電弱規范對稱性必定是一種“破缺”了的對稱性。然而，對稱性破缺后使得有質量的規范玻色子具有了縱向極化自由度，而縱向極化的規范玻色子的高能散射行為破壞了幺正限，從而使得理論在電弱能標附近失去預言能力。為此，在建立標準模型時，物理學家引入了電弱對稱性的自發破缺機制，在(日后證明)不破壞理論幺正性和可重正性的前提下，賦予標準模型的弱規范玻色子和基本費米子非零質量。在極小標準模型中，這一機制是通過引入“布勞特−恩格勒−希格斯場”(以下簡稱“希格斯場”)實現的。希格斯場通過獲得非零的真空期望，實現標準模型中的電弱對稱性自發破缺，一方面賦予標準模型粒子非零質量，另一方面在模型中給出一個標量粒子—希格斯粒子。
希格斯粒子是標準模型中最后一種被物理學家發現的基本粒子，人們對它的性質知之甚少(圖 3)。2012 年物理學家在歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)上發現希格斯粒子之后，物理學家對它的理論研究取得了長足進展。這首先反映在對于各種標準模型產生道的理論計算精度得到了大幅度提升。以LHC 上希格斯粒子的主要產生道為例，其理論計算的精度已經達到了次次次領頭階 QCD(N3LO QCD)的水平。此外，與希格斯粒子相關的各種新物理模型和機制也獲得了進一步的討論，這一方面體現為希格斯粒子各種性質測量結果對這些新物理的限制，另一方面體現為標準模型希格斯粒子所處質量區間帶來的諸如真空穩定性問題和早期宇宙電弱相變性質等新物理問題。
圖 3 標準模型中的三個弱相互作用玻色子“吃掉”希格斯場的三個戈德斯通自由度獲得質量，希格斯場余下的一個自由度成為標準模型中唯一的一個基本標量粒子
由于物理學家對于希格斯粒子的性質，特別是真空自發對稱性破缺的起源等問題仍然知之甚少，在未來很長一段時間內，對希格斯粒子性質的研究將始終居于粒子物理高能量前沿的核心地位。這主要包括對希格斯粒子的精確研究，特別是對反映標準模型電弱對稱性自發破缺起源的希格斯勢的研究。對后者的最主要研究手段，乃是對于 LHC 以及未來對撞機上多希格斯粒子產生過程的研究。這對于理論工作提出了如下一些要求：首先，要給出盡可能精確的標準模型預言;其次，闡釋實驗觀測結果對于各種重要物理過程—如早期宇宙電弱相變的影響和意義;最后，通過模型相關和模型無關的有效場論框架，給出不同新物理對于希格斯勢和實驗觀測可能的影響。
作為通過電弱對稱性自發破缺獲得質量的標準模型中最重的基本粒子，頂夸克與希格斯粒子具有很強的相互作用，從而強烈地影響著標準模型的自發對稱性破缺。另外，頂夸克是標準模型中唯一在強子化之前衰變的夸克，其極化信息被完整地保留在衰變產物中。所以，研究頂夸克物理能夠幫助物理學家更好地理解諸如真空穩定性等對稱性破缺的性質;同時，頂夸克也可以作為相互作用結構信息的攜帶者，揭示各種相互作用除強度外的更多的信息，比如手征性質、CP 性質等。此外，近年來，頂夸克過程也開始被用來研究高能對撞機上的量子糾纏性質。這方面的研究，仍在進行中。
4. 強相互作用與強子物理
量子色動力學(QCD)是描述強相互作用的基本理論，將原子核乃至強子內部的強相互作用還原為點粒子夸克和膠子之間的相互作用，它的基本特點是：在高能區，相互作用弱，從而可以采取微擾論的方法處理;而在低能區，相互作用強，完全由非微擾的動力學主導。由于實驗上能直接探測到的參與強相互作用的最小單元是色單態的強子，而不是組成強子的夸克和膠子(這一現象被稱為色禁閉)，因此，非微擾的強相互作用是強子物理研究的核心，由之導致的色禁閉的物理機制、物質的質量起源、強子的自旋結構等仍是標準模型內的未解之謎。
強子物理研究的前沿是由當前運行和討論中的實驗驅動的，包括強子的譜學、衰變和產生、強子間的相互作用以及部分子結構等，并且也為檢驗標準模型并尋找超出標準模型的新物理提供不可或缺的輸入(如繆子反常磁矩中的 QCD 貢獻、QCD 軸子性質的精確計算等)。下面我們簡要討論強子譜學和強子結構兩個方面。
強子譜學研究的重要目的是對實驗上觀測到的強子(包括自旋為整數的介子和半整數的重子)進行分類，并由此探索和認識強子的內部結構和相互作用的規律，從而有助于對色禁閉機制的理解。夸克模型是對強子分類的主要方法。2003 年以來，實驗上發現了大量強子共振結構，例如 Belle 在粲偶素能區發現的X(3872)、BESⅢ和 Belle 發現的帶電類粲偶素 Zc(3900)± 、BaBar 發現的粲介子D*s0(2317)、LHCb 發現的一系列隱粲五夸克態Pc、BESⅢ最近發現的輕介子 η1(1855) 等;圖 4 以粲偶素為例展示了理論預言與實驗觀測之間的巨大偏差。這些共振結構超出了三夸克重子和正反夸克組成的介子的圖像，從而是奇特強子態(包括多夸克態、膠球、混雜態以及類似于原子核的強子分子態等)的候選者，對這些新發現的共振結構的理解是當前強子譜研究中最受關注的問題。而要對強子進行分類，則需要建立可靠的強子譜。強子態對應于涉及強子過程的S 矩陣的極點;此外，S 矩陣還有三角奇點等奇異性，它們會帶來類似于共振態的實驗信號，體現的是特殊的運動學效應。強子譜研究的進一步突破將依賴于新一代的高亮度實驗，例如，日本的Belle-Ⅱ、北京正負電子對撞機(BEPCII)的升級、歐洲的大型強子對撞機(LHC)的第 3～5 輪運行、美國的電子離子對撞機(EIC)、討論中的超級陶粲裝置(STCF)和中國電子離子對撞機(EicC)等;同時，需要構建考慮了運動學效應的振幅分析，從而給出更可靠的強子譜。
強子中不僅包含對其進行分類依賴的價夸克，還包含真空中量子漲落產生的?？淇艘约澳z子，強子的自旋和質量等便應是各種味的正反夸克和膠子的貢獻之和。實驗發現，價夸克的自旋只貢獻了質子自旋的一小部分，將質子的自旋定量分解為各種夸克、膠子和軌道角動量的貢獻之和目前仍是當前研究的前沿問題。類似地，夸克的質量也只提供了核子質量的一小部分，而超過 90%的核子質量(從而也對應于可見物質世界質量的絕大部分)則來源于非微擾QCD 通過跡反常這種量子效應的貢獻;核子以及其他強子的質量起源，即將質量定量分解為各種貢獻之和，也是當前強子結構研究的熱點問題。對強子結構的深入理解需要研究強子內部的部分子分布，包括部分子分布函數、三維動量空間的廣義部分子分布和橫動量依賴分布等。對核子結構進行研究，從而探索核子的自旋和質量起源將是 EIC 和 EicC 的主要物理目標之一。
圖 4 粲偶素和類粲偶素的質量譜，其中黑線表示 Godfrey-Isgur 夸克模型的預言，紅線表示到 2003 年為止實驗發現的粒子，藍線表示 2003 年到 2021 年實驗發現的新的粲偶素和類粲偶素(以及相應的發現年份)，陰影表示實驗測量的質量誤差
強子物理研究的主要理論方法包括：將時空離散化并通過路徑積分量子化定義的格點 QCD，它是基于第一性原理的、原則上誤差可控的方法，并且可以通過調節格點的大小、夸克質量等給出實驗上無法測量的信息，為理解各種非微擾 QCD 現象提供輸入，隨著計算技術的發展，格點 QCD 將越發重要;基于手征對稱性及其自發破缺、重夸克的味對稱性和自旋對稱性等 QCD 的近似對稱性構建的有效場論，這類方法也是模型無關并且可系統改進的，是溝通實驗測量和格點 QCD 計算之間的重要橋梁;基于解析性(即因果性)、幺正關系(即概率守恒)和交叉對稱性等基本原理構建的色散關系，它通過解析性建立不同能區的物理之間的聯系，將一些非微擾的量表達為實驗可測的物理量的積分，隨著實驗精度的提高，將在標準模型的精確檢驗方面發揮重要作用;此外，還有基于Dyson-Schwinger 方程等泛函方法的連續時空量子場論，基于對QCD 真空中的非微擾效應進行參數化建立起來的 QCD 求和規則，以及組分夸克模型等半唯象或唯象方法，它們將持續為定量和定性理解非微擾現象提供重要的物理圖像和理論輸入。
可以預期，新一代的高亮度實驗和格點 QCD 計算，通過有效場論、色散關系等理論方法搭建其間的橋梁，在唯象方法的協助下，將幫助人們深入揭示非微擾強相互作用的動力學規律。
5. 弱相互作用與味物理
弱相互作用是了解自然規律中非常關鍵的一環。弱作用的標準模型已建立起來。實驗已發現的參與弱相互作用三代不同夸克(u，d)、(c，s)、(t，b)和輕子(ve，e)、(νμ，μ)、(ντ，τ)等基本粒子被形象地稱為不同的味道，如圖 1 所示。目前弱作用和味物理研究的主題是研究傳播弱相互作用的 W 和 Z，及賦予各種粒子質量的希格斯玻色子，以及這些玻色子與不同夸克、輕子怎么相互作用的特性，進一步檢驗標準模型和發現新物理。
人類對弱作用的認識開始于貝克勒爾(A. Becquerel)1896 年發現的放射線。其發現的射線中包含稱為貝塔(β)具有很強穿透力的電子。1930 年，泡利認識到要挽救核的β 衰變過程能量守恒需要中微子的必要性，爾后費米建立了貝塔衰變理論，20 世紀 50 年代證實了費米理論在弱作用中的普適性。弱作用理論發展中非常重要的一步是由李政道和楊振寧引領的推翻宇稱守恒法則的革命性突破。1956 年開始了粒子物理發展的黃金時期：弱作用破壞宇稱守恒被驗證，中微子被測量到，確認了中微子作用的 V−A 形式;20 世紀 60 年代格拉肖、薩拉姆和溫伯格等提出了在楊−米爾斯規范場框架下弱電相互作用的 SU(2)L×U(1)Y 統一標準模型，陸續發現預言的中性流、傳播弱作用的W和Z 玻色子、三代輕子以及也參與強相互作用的三代夸克;CP 對稱性破缺的發現和模型的建立，以及中微子振蕩。在此期間，強作用的色動力學理論也被提出。2012 年弱電統一模型預言的希格斯粒子也被實驗證實，找到了建立弱及強相互作用的標準模型的最后拼圖。圖 1 歸納標準模型的基本粒子和相互作用。
W 和Z 玻色子的發現以及它們的相互作用在不同過程的精確檢驗是弱相互作用研究的極大成功。非常有意思的是弱作用的研究獲得了意外的電磁和弱作用的統一理論。希格斯粒子的發現，也驗證了標準模型粒子質量起源機制的正確性。不同代的夸克或輕子費米子除了質量不同外，在標準模型里其他量子數都相同，表明各代費米子弱作用有普適性。處于弱作用本征態費米子會是質量本征態的混合組合，帶來非常豐富的味物理研究內容。費米子的混合由幺正矩陣描述。小林和益川發現如果存在三代夸克，其混合包含一個CP 破缺的相角可以解釋觀測到的 CP 破缺實驗數據，建立 CP 破缺的標準模型，而且由此預言的第三代夸克被實驗證實?；旌乡壅仃囂匦砸驯粚嶒烌炞C。三代輕子也有類似的混合，并且也被實驗證實。
標準模型極大的成功，激發人們更深入地研究和檢驗標準模型并發現新物理。標準模型本身還有許多缺陷。比如，引力作用還不能在同一理論框架下統一起來。標準模型本身要有多余 18 個以上的自由參數來描述。目前也解釋不了為什么宇宙中物質多于反物質。有許多能部分回答這些問題的理論框架，如超對稱、大統一、多維空間和多希格斯粒子模型等，但都缺乏足夠的實驗證據。
由振蕩現象證實的非零中微子質量，以及宇宙學中需要的暗物質和暗能量是存在標準模型外新物理的有力證據。但是新物理的源頭還是不清楚。這些會在中微子和暗物質部分有更多的討論，就不在這里展開。雖然能量前沿 LHC 研究對探尋新物理能標在不斷提高，但還沒有確切的新物理跡象。在弱作用和味物理的高亮度研究中，目前有一些與標準模型預言差 3 到 4 的標準誤差異常現象，如繆子反常磁矩、一些B 衰變分支比等，但是仍然需要進一步確認。希望不久的將來通過實驗和理論研究不斷的努力，能打開發現新物理的突破口。
6. 中微子與暗物質
中微子振蕩實驗證明了中微子有質量，而天文學和宇宙學觀測提供了宇宙中存在暗物質的有力證據。因此，中微子的質量和暗物質的存在是具有堅實實驗基礎的新物理，而中微子和暗物質的基本性質已成為當前粒子物理學和宇宙學領域的重要前沿課題。
中微子理論研究主要集中在中微子質量的產生機制、輕子味混合背后的對稱性、以中微子為焦點的粒子物理與天體物理、天文學、宇宙學的交叉研究。若將粒子物理標準模型視為低能有效理論，則量綱為 5 的溫伯格算符在規范對稱性自發破缺之后產生中微子的馬約拉納質量。在樹圖層次上實現溫伯格算符的完整理論只有傳統的三類蹺蹺板模型，它們是中微子質量產生的最簡單和最自然的選擇。蹺蹺板模型的低能有效場論的構建已被提升至單圈水平，由此得到的截至量綱為 6 的算符及其威爾遜系數為蹺蹺板模型的低能實驗精確檢驗奠定了理論基礎。
探究輕子味混合背后的對稱性的最新進展可分為兩類：一是基于中微子振蕩實驗結果推測可能存在的“最小”味對稱性;二是在超弦理論框架下通過額外維空間的緊致化實現有限模群的味對稱性。在第一類方案中，最具代表性的是 μ-τ 反射對稱性，其對味混合參數的理論預言與實驗測量結果完全吻合。將 μ-τ 反射對稱性與輕子味空間的平移對稱性或轉動對稱性結合可以進一步限制中微子質量模型的參數并提高其理論預言性。與傳統的分立味對稱性相比，第二類方案中的有限模對稱性要求輕子場與希格斯場的湯川耦合系數是模形式，從而避免引入過多的標量場來實現與觀測相符的輕子味混合模式。
中微子是連接粒子物理與天體物理、天文學和宇宙學的橋梁，而極端的天體和宇宙學環境為研究中微子的基本性質提供了獨一無二的平臺。最新的理論研究發現，在早期宇宙中或超新星內部中微子的自相互作用和正反中微子角分布的不對稱可能導致快速味轉化的集體效應，后者對宇宙早期演化、超新星爆發機制有深遠的影響。當前，天文學和宇宙學觀測的實驗進展日新月異，相關的理論研究也亟須積極推進。
大量的天文學和宇宙學的觀測在各個尺度上給出了暗物質存在的證據，并且測量出了今天宇宙中平均的暗物質能量密度為總能量密度的四分之一。但是人類今天對暗物質的粒子物理屬性依然一無所知。
弱相互作用大質量粒子(WIMP)暗物質模型由于其和電弱能標獨特的聯系最早被人們重視。人們在超出標準模型的各種新物理模型中都嘗試構造了 WIMP 暗物質候選者。國內和國際上的主要暗物質探測合作組都以探測 WIMP 為主要科學目標。另外，WIMP 暗物質還可以產生間接探測信號和對撞機信號，因此也是宇宙線實驗和對撞機實驗研究的重點。但是，目前各種實驗探測上都沒有探測到令人信服的 WIMP 信號，因此人們(尤其是理論家)開始把主要精力逐漸向輕暗物質和超輕暗物質轉移。
質量在 MeV 附近的輕暗物質所攜帶的動能往往小于傳統探測器的閾值，需要一些加速機制才能利用傳統暗物質探測器進行探測。近年來，人們不斷研究各種各樣的利用天體物理現象加速暗物質的可能性。其中包括利用太陽中的電子加速、利用宇宙線中的高能粒子加速等。另外，新的探測技術，包括新的半導體技術、超導技術、超流技術等來實現低閾值的探測的研究也在如火如荼地進行中。
更多的理論家將目標轉移到對質量小于 keV 的超輕暗物質的研究之中。超輕暗物質的代表是軸子、類軸子和暗光子。超輕暗物質的質量下限為 10−21eV，因此質量跨度有 24 個數量級。對于每一個區域都需要應用不同的技術手段進行探測。正因如此，近年來涌現出了一批探測超輕暗物質的新方法，比如將量子精密測量技術融入傳統的諧振腔探測中，利用射電天文方法尋找超輕暗物質，利用視界望遠鏡(EHT)探測黑洞超輻射產生的超輕暗物質，利用引力波探測器尋找超輕暗物等。
可以說目前(圖 5)人類正在不斷地將各種先進的技術用到暗物質的探測中。期待在不久的將來人類能夠探測到暗物質的粒子物理屬性。
圖 5 暗物質研究與探測途徑
