El problema de la jerarquía de las masas de los fermiones es uno de los problemas no resueltos de la física de partículas elementales y radica en que las masas observadas de tres generaciones de fermiones ( leptones y quarks ) difieren en decenas de veces, mientras que el resto de propiedades de estas partículas y sus números cuánticos son exactamente iguales.
En el Modelo Estándar , todos los fermiones (tanto quarks como leptones ) forman tres generaciones. Cada generación es un conjunto de partículas de diferentes tipos, y las generaciones difieren entre sí solo por masas muy diferentes. Por ejemplo, si un electrón tiene una masa de 0,511 MeV , entonces la masa del muón es de 105,7 MeV y la masa del leptón tau ya es de 1777 MeV. Además, todas estas partículas tienen absolutamente el mismo conjunto de números cuánticos determinados por interacciones de norma.
Para los quarks, al considerar la llamada matriz de masa, cuyos elementos diagonales son iguales a las masas de tres generaciones de quarks con la misma interacción, y los elementos fuera de la diagonal reflejan la mezcla de quarks de diferentes generaciones, demuestra que la la jerarquía está presente tanto en los elementos diagonales (las masas de quarks de diferentes generaciones son muy diferentes) como fuera de la diagonal (la mezcla está fuertemente suprimida).
Los leptones cargados no pueden mezclarse y los neutrinos en el modelo estándar no tienen masa, pero los experimentos han demostrado de forma fiable que los neutrinos tienen masa y, como los quarks, pueden mezclarse, lo que se manifiesta, en particular, en forma de oscilaciones de neutrinos . En este caso, la matriz de masas de los neutrinos también presenta una estructura jerárquica que, sin embargo, difiere mucho de la estructura de la matriz de los quarks: la mezcla de los neutrinos, por el contrario, es prácticamente máxima y la jerarquía de masas es mucho más débil.
Una teoría exitosa debe ser capaz de describir jerarquías observables y explicar por qué difieren entre sí.
Cabe señalar que, de hecho, sólo es necesario explicar la existencia misma de una jerarquía. Su estabilidad se realiza automáticamente debido a que todas las correcciones radiativas a las constantes de Yukawa de la interacción fermión-Higgs responsables de la aparición de masa en las partículas dependen débilmente de la energía.
Una de las razones obvias de la presencia de la jerarquía de masas observada puede ser la existencia de alguna simetría global adicional espontáneamente rota que conecta las generaciones de fermiones entre sí. Sin embargo, la construcción de una teoría de tal simetría conduce a la predicción de la existencia de un bosón de Goldstone sin masa (el llamado familon ) con parámetros estrictamente limitados, que no ha sido detectado experimentalmente.
Una explicación alternativa para la presencia de una jerarquía de masas se da en el modelo de un mundo multidimensional. En este modelo, solo hay una generación de partículas de seis dimensiones, lo que inmediatamente da tres generaciones de partículas con diferentes masas en un mundo de cuatro dimensiones (espacio y tiempo tridimensionales). El mismo modelo describe la estructura de la matriz de masas de neutrinos, y este es (desde principios de 2012) el único modelo que describe simultáneamente la jerarquía de masas de leptones y neutrinos cargados. La ventaja de este modelo es que el número de parámetros libres es menor que el número de parámetros ajustables.