Các nhà khoa học đã đưa ra các mô hình lý thuyết nào để nghiên cứu vật lý hạt?các mô hình đó được phát triển dựa trên phương pháp thực nghiệm nào và những thành tựu nào ⇵

Vật lý lý thuyết hạt cố gắng để phát triển các mô hình lý thuyết, với công cụ là toán học để giải thích các kết quả của thí nghiệm hiện hành, cùng với việc dự đoán các kết quả thí nghiệm trong tương lại. Có một số lĩnh vực chính trong ngành vật lý lý thuyết hạt, song lại tạo ra một lượng lớn các hoạt động nghiên cứu. Trọng tâm của vật lý lý thuyết hạt chính là việc cố gắng hiểu sâu hơn về mô hình chuẩn cùng với các thí nghiệm kiểm chứng của nó. Bằng việc đưa ra nhiều tham số trong các thí nghiệm của mô hình chuẩn, để giảm thiểu các kết quả không chắc chắn, công việc này sẽ giúp các nhà vật lý phát hiện ra các hạn chế của mô hình chuẩn, nhờ đó giúp chúng ta hiểu sâu hơn về tự nhiên. Công việc tìm hiểu trên mang đầy thách thức, như việc tính toán các đại lượng trong sắc động lực học lượng tử. Một số nhà lý thuyết sử dụng công cụ là thuyết trường hiệu dụng, một số khác thì sử dụng thuyết lattice gauge theory. Một đóng góp không nhỏ khác tạo bởi các nhà xây dựng mô hình, người đưa ra các ý tưởng có thể mở rộng mô hình chuẩn (với phạm vi năng lượng cao hơn hay khoảng cách nhỏ hơn). Công việc này được thúc đẩy bởi các bài toán nảy sinh ra từ những số liệu của thí nghiệm. Nó bao gồm siêu đối xứng, tiếp đến là bộ máy Higgs, hay mô hình Randall-Sundrum, là sự kết hợp của những ý tưởng trên và một số ý tưởng khác. Một hướng đi chính trong vật lý lý thuyết hạt chính là lý thuyết dây. Các nhà lý thuyết dây có gắng xây dựng một mô hình thống nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng, với ý tưởng chính là vật chất tạo bởi các dây, các màng nhỏ, chứ không chỉ dừng lại ở các hạt. Song song với thuyết dây là thuyết hấp dẫn lượng tử vòng, với ý tưởng không-thời gian được lượng tử hóa, có cấu trúc và kích thước xác định.