この世界は、どのような物質を基本要素（素粒子）として構成されているのでしょうか？またそれらの素粒子はどのような物理法則にしたがっているのでしょうか？

小林・益川理論をはじめとするこれまでの素粒子論研究は、3世代のクォーク・レプトンを基本要素（素粒子）とし、ゲージ場の理論によって素粒子相互作用を記述するいわゆる素粒子標準模型を確立しました。この模型は多くの実験結果を定量的に説明するなど、これまで輝かしい成功を収めてきました。しかし、素粒子の世界には、未解明の謎がまだまだ数多く残されており、これらの謎を解明することで、素粒子論の新たなブレークスルーが近い将来に起きることが期待されています。

未解明の謎のひとつとして、素粒子質量の起源の謎があげられます。素粒子標準模型では、ヒッグス粒子を導入することによって素粒子質量の起源を説明しますが、ヒッグス粒子は未発見の粒子であるうえに、ヒッグス粒子の単純な導入はゲージ階層性問題を内包するなど、標準模型での質量起源の説明は理論的にはきわめて不満足なものといわざるを得ません。このため、素粒子質量起源の謎の背後には、超対称性や余剰次元など、新たな時空構造が存在する可能性や、さらには、これまでに知られていない新たなゲージ場理論のダイナミクスが隠れている可能性が指摘されています。また、最近の宇宙的観測からダークマターの存在が指摘されていることや、ニュートリノ振動実験からニュートリノが非常に小さな質量をもっていることが明らかになったことなど、標準模型では説明できない多くの観測事実も知られています。さらに、近年進展を遂げている精密計算・精密測定により、たとえばμレプトンの異常磁気能率の測定値が標準模型の予言値からずれていることが明らかになっています。これら未解明の謎を説明するためには素粒子標準模型を超える物理が存在せねばなりません。

素粒子標準模型自身にもまた挑戦的研究課題が数多く存在します。たとえば、標準模型には、量子色力学（QCD）が含まれますが、その低エネルギーでの振る舞いは、「カラーの閉じ込め」や「カイラル対称性の力学的破れ」など、摂動理論で解明することが本質的に不可能な非摂動的な現象が含まれており、標準模型を理解する上でも、また、標準模型を超える物理を探る上においても、これらの非摂動的な現象の定量的解明が必要となります。さらに、ビッグバン直後の宇宙初期の高温状態や中性子星などのコンパクト天体内部の高密度状態においては、QCDのクォーク・グルオンがプラズマ状態になっている「クォーク・グルオンプラズマ（QGP）」や、クォークが対凝縮を起こす「カラー超伝導」が実現されていると期待されていますが、これらの解明にもQCDの非摂動力学（ハドロン物理学）が重要となります。

基礎理論研究センター素粒子論部門では、これらの謎の解明を目指し、多様な専門性をもつ研究者が結集・協力して素粒子論研究を進めています。標準模型を超える新しい物理の候補としては、テクニカラー模型・余剰次元模型・超対称性模型・大統一模型・リトルヒッグス模型などがあげられます。このうちテクニカラー模型は、これまでに知られていない新たなゲージ場理論の強結合ダイナミクスを必要とする模型ですが、本部門では、理論計算物理室での強結合ゲージ場理論シミュレーションの結果を生かし、現実的なテクニカラー模型の構築を目指します。また、余剰次元模型や超対称性模型は、我々の時空概念を大きく変更するのみならず、素粒子質量起源やダークマターを自然に説明し、標準模型にはない新たなフレーバーの破れが存在する面白い可能性です。 我々は、これら新しい物理の候補について、素粒子質量起源・フレーバー起源の観点から吟味を行い、つくばのBファクトリー実験や、各種ニュートリノ振動実験、ダークマターの直接・間接探索実験における成果をとりいれつつ、スイス・ジュネーブ郊外にある欧州原子核研究機構（CERN）で行われているLarge Hadron Collider (LHC)実験でのこれらの模型の兆候を理論的に解明します。

また、ハドロン物理のより深い理解を目指す研究として、とくに有限密度・有限温度におけるハドロン・クォーク多体系の解明に向けた研究を積極的に推進しています。アメリカ・ブルックヘヴン国立研究所の重イオン衝突実験（RHIC実験）ではすでにQGP生成に成功しましたし、さらに、RHICよりもエネルギーが高いCERN/LHCでの重イオン衝突実験の開始を目前に控え、新たな知見を得ることができる千載一遇のチャンスが今まさに到来しています。現在定量的にはもちろん定性的であっても理解が確立していない実験結果がまだたくさんあります。ここでは重イオン衝突実験理解を見据えながら、理論計算物理室との連携による格子QCD、現象論といったアプローチで多角的に取りくんでいます。