Хотя Стандартная модель (СМ) сильных и электрослабых взаимодействий хорошо описывает большинство экспериментов в земных лабораториях и в астрофизике, её можно считать лишь феноменологической, поскольку она содержит около 20 эмпирических постоянных и не объясняет, почему кварки и лептоны группируются в три поколения.

СМ не содержит механизма для образования масс нейтрино и не содержит частиц, которые могли бы составить тёмную материю. Можно задать и другие вопросы к содержанию и архитектуре СМ. Есть ли более тяжёлые кварки и лептоны, образующие четвёртое (пятое…) поколение, и более тяжёлые векторные бозоны? Существуют ли ещё скалярные частицы Хиггса, которые могли бы быть ответственными за нарушение пространственной чётности в слабых взаимодействиях? Почему массы фермионов настолько разные? Можно ли объединить сильные и электрослабые взаимодействия, которые в СМ работают независимо? Какие нестандартные частицы могут существовать, практически не взаимодействуя с наблюдаемой материей (например, тёмные фотоны)? Точна ли теория относительности, и в каких экспериментах могут проявляться отклонения от неё? Почему наше пространство трёхмерно? Этот ряд вопросов можно продолжить, и убедительные ответы на них привлекают новые гипотетические частицы и взаимодействия, а также новые механизмы нарушения пространственных и внутренних симметрий. Необходимым условием и следствием поисков обобщений СМ являются предсказания экспериментов, в которых можно зарегистрировать отклонения от СМ: эксперименты на ускорителях при высоких энергиях сталкивающихся частиц, прецизионные измерения свойств частиц и ядер в физике реакторов и космических лучей и др.

Большая область фундаментальной физики, которую традиционно не включают в СМ, связана с силами гравитации. В настоящее время феноменология гравитации в пределах галактических размеров вполне укладывается в теорию Эйнштейна. Вместе с тем, существуют явления, которые заставляют исследовать её обобщения. Это, в первую очередь, астрофизические данные о рождении вселенной и её дальнейшем развитии, которое происходит с ускорением, как было установлено около 10 лет назад. Кроме того, извечное стремление физиков найти единое описание мира побуждает искать пути объединения СМ и гравитации на сверхмалых расстояниях (сверхвысоких энергиях), когда гравитационные взаимодействия становятся сравнимыми с сильными и электрослабыми. Эти построения – преимущественно теоретические, так как речь идёт о величинах энергий на 16 порядков больших, чем энергии, достижимые на современных ускорителях. Поскольку СМ является квантовой теорией, для её объединения с гравитацией необходимо построить квантовую теорию гравитации. Построение такой теории является одной из сложнейших нерешённых задач современной теоретической физики.

Таким образом, увлекательной областью теоретических исследований является поиск гипотетической физики вне рамок Стандартной модели и предсказание отклонений от СМ для современных и планируемых экспериментов на ускорителях и в обсерваториях, как наземных, так и спутниковых.

На кафедре теоретические исследования физики за рамками СМ ведутся широким фронтом. В частности, изучаются реализации СМ и её обобщений во вселенных, расположенных на трёхмерных бранах (доменных стенках), которые возникают динамически в пространствах с дополнительными измерениями (А.А. Андрианов, В.А. Андрианов, О.О. Новиков); исследуется теория гравитации, в которой наше четырёхмерное пространство-время является поверхностью в некотором плоском пространстве-времени большего числа измерений, с целью построения корректной квантовой теории гравитации (С.А. Пастон), анализируется кинематика и динамика элементарных частиц во вселенных с постоянной кривизной пространства (С.Н. Манида); изучаются альтернативные теории гравитации – с массивным гравитоном, несколькими метриками и/или связностями, а также космология ранней Вселенной и различные модели темной материи и темной энергии (А.В. Головнёв); исследуется физика аксионов – гипотетических псевдоскалярных частиц, кандидатов на тёмную материю, а также возможное нарушение пространственной чётности при их конденсации в плотных звёздах; разрабатывается объединение сильных и электрослабых взаимодействий в режиме универсальной сверхсильной связи на малых расстояниях (А.А. Андрианов).