粒子物理学是研究物质的基本组成及其相互作用的物理学分支。它研究尚未通过实验确认具有内部结构的基本粒子，以及由这些粒子构成的复合粒子。其核心理论框架是标准模型，该模型描述夸克、轻子以及电磁、弱和强相互作用。这一领域将数学理论与加速器实验、精密测量以及对自然来源粒子的观测相结合。(energy.gov)
历史发展
1897年，J. J. 汤姆孙发现电子，证实原子内部含有更小的组成成分。在随后的几十年里，研究揭示了更多亚原子粒子，并发展出描述其行为的量子理论。对电子反粒子的预言以及1932年正电子的发现，是概念上的重大进展，表明粒子的种类并不限于普通原子的组成成分。(energy.gov)
1964年，默里·盖尔曼和乔治·茨威格分别独立提出了以夸克解释强相互作用粒子的理论。此后的发现扩充了已知的夸克和轻子家族：顶夸克于1995年被发现，τ中微子于2000年被观测到。标准模型的发展将这些发现纳入了共同的理论框架。2012年，欧洲核子研究组织的实验发现了希格斯玻色子，至此，该模型预言的基本粒子全部得到发现。(cds.cern.ch)
粒子及其分类
标准模型中的物质粒子属于费米子，分为三代。每一代包含两种夸克和两种轻子。夸克共有六种类型，也称为六种“味”：上、下、粲、奇、顶和底。轻子包括电子、μ子和τ子，以及与它们各自对应的中微子。普通的原子物质主要由电子、上夸克和下夸克构成；较重的带电轻子和夸克通常以不稳定粒子的形式存在。(home.web.cern.ch)
夸克结合形成复合粒子。一个质子含有两个上价夸克和一个下价夸克，而一个中子含有一个上价夸克和两个下价夸克。这些描述给出的是它们的净夸克组成，而非完整的静态图景：其内部还包含胶子，以及不断涨落的夸克—反夸克成分。对这种结构的研究将粒子物理学与核物理学联系起来。(lss.fnal.gov)
传递相互作用的粒子属于玻色子。标准模型包含光子、胶子、W和Z玻色子，以及希格斯玻色子。物质粒子也有相应的反粒子；例如，正电子的质量与电子相同，但电荷相反。粒子与反粒子湮灭时，它们的能量会转化为其他粒子，这一过程须遵守适用的守恒定律。(energy.gov)
相互作用与理论框架
电磁学所研究的电磁相互作用作用于带电粒子，其量子力学描述由量子电动力学给出，传递这种相互作用的粒子是光子。强相互作用由量子色动力学描述，作用于夸克和胶子，并形成质子、中子等束缚体系。传递强相互作用的胶子本身也参与强相互作用的动力学过程。(home.web.cern.ch)
弱相互作用由W和Z玻色子传递，参与放射性β衰变和中微子相互作用等过程。电磁现象与弱相互作用现象被纳入统一的电弱相互作用理论。引力尚未包含在标准模型中，不过，在实验室中的单次粒子相互作用中，其影响通常可以忽略不计。(home.web.cern.ch)
现代粒子理论使用量子场论，将量子原理与相对论描述相结合。粒子通过量子化的场来表示，相互作用则决定粒子的产生、散射和衰变。对称性和数学计算对于推导可由实验检验的预言至关重要。希格斯场具有非零的真空期望值；W和Z玻色子以及带电基本费米子的质量，源于它们与该场的相互作用。然而，质子的大部分质量来自强相互作用的动力学效应，而非直接来自其组成夸克的质量。(fnal.gov)
实验方法
加速器产生可控的粒子束，使其与其他粒子束或固定靶碰撞。较高的碰撞能量使大质量粒子的产生成为可能，而大规模数据样本和精密测量则使研究人员能够探究稀有过程。位于欧洲核子研究组织的大型强子对撞机是一个重要实例。粒子研究也使用来自反应堆、太阳及其他自然来源的中微子，因此，高能碰撞并非这一领域唯一的实验途径。(home.cern)
探测器通过可观测信号推断粒子的性质。径迹探测系统重建带电粒子的运动轨迹，轨迹在磁场中的弯曲程度可提供动量信息。量能器测量沉积的能量，而时间测量系统及其他粒子鉴别系统则帮助区分粒子种类。不同探测器层提供相互补充的测量结果，而不是直接拍摄基本粒子的照片。(home.cern)
发现新粒子需要比较观测数据与预期本底。研究人员模拟物理过程和探测器响应，重建碰撞事件，并检验测量结果是否与已有理论一致。独立实验尤为重要：ATLAS实验和CMS实验合作组各自观测到了2012年7月4日宣布发现的新粒子，该粒子随后被确认为希格斯玻色子。(home.web.cern.ch)
尚未解决的问题
标准模型经过了广泛检验，但仍不完整。中微子振荡表明中微子之间存在非零的质量差异，因此需要扩展最初将中微子视为无质量粒子的模型。实验正在研究中微子的绝对质量尺度，以及中微子是否就是自身的反粒子。(arxiv.org)
其他研究关注暗物质究竟是什么、宇宙中物质与反物质不平衡的起源，以及如何将引力纳入量子理论框架。这些问题将粒子物理学与宇宙学联系起来。提出的扩展理论必须符合现有测量结果，同时给出独特且可检验的预言；因此，相关探索既包括产生新粒子的实验，也包括对已知粒子和相互作用日益精确的检验。(home.web.cern.ch)