构成微观世界的基本组分和基本力
在20世纪早期，就已经确立了所有物质都是由基本组份一原子组成的理论。直到今天，物理学研究还保持追寻物质基本单元的观念。然而，关于构成物质的基本组份的认识，这100年间在不断发展。原子一开始它自己就成了它不是基本组份的证据，而更像是具有亚结构的物体：它们是由很小的原子核和围绕它的电子壳组成的（日益强大的粒子加速器使我们能更详细地研究物质）。起初人们认为原子核是由质子和中子组成的。然而，更严格的考察显示，中子和质子也不是基本粒子，而是由夸克和胶子组成的。
构成物质的最基本的组份——基本粒子
迄今为止，我们所认识到的物质最基本的组分——六个夸克和六个轻子。直到今天，已经发现六种不同的夸克，并给它们命了名：上、下、粲、奇异、顶、底。然而，我们周围的物质只是由上下两种夸克组成的，而我们探测到的其他强子都可由这六种夸克组成。
除了夸克以外，第二种基本粒子是轻子，它们也有六种类型。其中之一是带负电荷的电子。另外两个带电的命名为缪和绚。这些带电轻子都与一个电中性称为中微子的粒子为伴，六个不同夸克和六个不同轻子可按其弱作用性质编成三个家族。其中每一个家族包含两个轻子，也就是电子和它的中微子及两个夸克。第二个，第三个家族与第一个家族完全类似，三个家族的不同只在于粒子质量的不同。在测量的基础上，今天我们确信没有第四个家族的夸克和轻子存在。
基本力
宇宙的发展和结构是由构成宇宙的基本粒子和自然界中的基本力决定的。迄今为止，已知的基本力有四种；强作用力、电磁作用力，弱作用力和引力。
强作用力只在夸克之间存在，它把夸克束缚成强子。它是自然界中最强的力，通常被称为色力，其理论描述是量子色动力学，由八种不同的胶子携带色力。电磁力比强作用力弱，它把电子束缚在原子核周围。另外一种力一弱作用力，它控制放射性衰变和核聚变，并使太阳辐射能量。比起电磁作用它是相当弱的。然而，研究发现，弱作用和电磁作用具有相同的来源，它们类似于电与磁。由于这个原因，我们称电弱作用，它们是由三个有质量的重粒子W+、W-、Zº和无质量光子传递。轻子与夸克不同，它不承受色力作用。它们只通过弱力相互作用，如果带电，它们也产生电磁作用。第四种基本力——引力，在微观世界中只有在极小的距离才起作用。
描写微观世界的理论——标准模型
基本粒子和它们的相互作用一起用“粒子物理标准模型”描写。这个模型是一种相对论量子场论，这意味着基本物理场的理论包含量子理论定律和特殊相对论。这是必要的，因为在加速器实验中，基本粒子几乎常常以光速飞行，并且它们可以产生和湮灭。
在理论家的谨慎推敲和实验家的仔细观测的共同努力下，在过去40年，标准模型取得了巨大的进展，并获得了丰硕成果。它描写了迄今所知道的所有基本粒子，包括它们的性质，相互作用，而且与实验符合得非常好。
在现代粒子物理中，对称性起着重要作用，它们决定了粒子的性质和相互作用。在数学上，群论被用来形式化对称性，就是说用群论描述对称性的性质，规范不变性原理在这部分内容中是关键的要素。从电动力学领域发展进程的相反方向看，导出电磁场的存在和它的性质的原理的基本方程在任何地方和任何时间都应该是对的。如果把规范原理应用到电弱作用和强作用，它也能导出光子、W+、W-、Zº和胶子的存在。
表1.标准模型中的粒子和它们的性质。由于这些粒子的发现，许多物理学家获得了诺贝尔奖。因为不能观察到单个夸克，只能得到它们质量的近似值。
在粒子物理中规范理论起着基础作用，它已成功地帮助电磁作用和弱作用建立了共同的理论基础。这种综合的意义类似于电动力学中电和磁现象的统一。
这种规范理论的另外一个例子是描写夸克和胶子相互作用的理论一一量子色动力学。它是建立在这样假设基础上的：夸克不仅带电荷，它也带称为色的强相互作用荷。胶子也带色荷，不像光子不带电荷，结果它们不仅与夸克偶合，而且胶子之间也偶合。这个事实决定了强作用力的性质，另外也使理论计算变得非常复杂。
规范不变性开始只应用于像电磁场那样的‘无质量场’，其量子是光子。由于场量子无质量，与此相对应，相互作用的范围（力程）是无穷大。与此相反，弱作用只有在非常小的范围才起作用，这是由于它们的场量子W+、W-、Zº有很大的质量。借助于希格斯机制，可使规范原理也适合于场量子的质量很大的情况。在这里，假设开始的无质量场量子是通过与另外一个，至今还未观测到的场的作用而获得质量。与此类似地效应，在固体物理中的相变是早已经知道的。
西格斯机制直接与西格斯粒子或西格斯玻色子相联系。这个粒子是回答“什么是质量？”的问题的关键。虽然希格斯粒子还没被观测到，把近几年精确测量结果与理论预言相比较，是可以估计出它的质量的。使用最近在预制或计划的实验，人们期望在今后10年的某个时候将会发现希格斯粒子。
在标准模型中，计算基本粒子过程和可观测量，有两种不同的方法。对电弱过程，用‘微扰论’可计算到任何精度。对强相互作用过程，如果能非常高，可用类似方法。在低能情况，这种方法是失败的，必须用不同的方法，这就是建立在格点规范理论基础上的方法。为此，连续空-时被划分为格子上的分离的点，这样就可用超级计算机计算含有强作用过程。然而，计算的结果的精度依赖于所用计算机的能力。
超标准模型
尚且不说标准模型的巨大成功，我们也完全可以确信，它还不是自然界中的最终的基本理论。这种认识的理由，理论上的比实验证据多。因此，人们期望比现在所能达到的能量更高的加速器，以发现标准模型不能描述的新现象。
更基本的理论是人们长期以来仔细研究的课题。目前，一个可指望的途径是扩充标准模型的对称群。比如说，称之为超对称理论，它假定构成物质的基本粒子的费密子与作为各种相互作用媒介的玻色子之间存在着紧密的相关。这种新的对称性应该具有更深刻的结论。它使得电弱作用和强作用在理论和实验上相互自治。而且，它给出了与第四种相互作用力——引力的联系。超对称预言存在大量尚未发现的新粒子的问题是现在研究的热门课题。
联系微观世界和宏观宇宙的弦
除了决定微观世界事件的量子力学和量子场论以外，爱因斯坦的引力理论（广义相对论）也是现代物理学的基石。广义相对论描写了我们今天看到的太阳系和宇宙。然而，广义相对论不能回答‘宇宙大爆炸期间和之前发生了什么’的问题。因为这需要极小距离下引力理论，需要量子引力理论。
量子物理和广义相对论还没有在一个统一描写的模型中成功地联合起来。为了描写在非常小的线尺度（接近10-35米比原子核直径10-14米小许多）的自然现象，全新的数学和物理概念显然是必要的。在上个世纪70年代提出了一个建议，认为基本粒子不是点，而更像是一维延展物，或者弦。这些弦的动力学和相互作用由弦理论描写。按照这个理论，基本粒子是弦的振动。弦理论使我们有可能按量子理论的要求，正确计算广义相对论问题。另外，弦理论也能与标准模型相协调。最近研究表明，超对称是弦理论必需的要素。
弦理论还没有完全建立，并且我们还没完全理解它所包含的物理内容。另外，它的预言还很难在现在的实验中验证。不过，由于希望把粒子物理和广义相对论统一起来，现在，它还是非常活跃的研究领域。即使将来证明弦理论的现在形式不能达到这个目的，在探索自然界的基本描述的大道上，它还是重要而必要的一步。最后，在规划未来10年的实验是必须考虑这条路，使得我们有可能验证弦理论的预言。
粒子加速器——探索微观世界的关键设备
质子、电子和其他粒子的加速器和对撞机对于实验粒子物理来讲，是重要而又必不可少的设备。大量的、突破性的发现只有借助于日益强大的加速器才有可能。其道理直接来自于相对论和量子理论的原理。根据相对论，由于能量和质量的等价性：E=mc2（E是能量，m是质量，c是光速），新的、质量更大的粒子，只有用具有相当能量的加速器才能产生。另一方面，分析质子和中子的内部微观结构，由于观测的尺度非常小，按照量子理论海森堡不确定性原理，需要具有极高能量，即极短波长的辐射，而这也需要极高能量的加速器来产生。
今天的加速器
在过去10年，粒子物理实验常使用的大加速器有：在日内瓦的欧洲核子研究所（CERN）的LEP电子-正电子对撞机；在美国斯坦福的SLC电子直线对撞机和在费米Tevatron质子-反质子对撞机；在德国汉堡DESY的HERA电子-质子对撞机。这些设备按照它们的能力可相互补偿。
粒子加速器
粒子物理常用的加速器是大家所知道的同步加速器。在它的内部，通过导向磁场把质子或电子控制在环形管道上，并让它们反复在加速器管道里运行。在这当中，在每次转弯时，要用高频电场给它加上一部分能量，以不断增加被加速粒子的能量。为了使粒子保持在它的轨道上，随着粒子的速度增加必须同步地加大磁场。
质子和电子在同步加速器里的运行极限是非常不同的。对于相对重的质子，这个极限由可达到的最大磁场强度决定。由于超导加速器磁体的发展，可达到的磁场强度已大大增加。最强大的质子同步加速器是Tevatron质子-反质子对撞机和HERA电子-质子对撞机。在这些设备里，在运行1000万圈之后质子能量达到900 Gev。这相当于9000亿伏的加速电压，比架设的输电线电压的100万倍还大。
比质子轻得多的电子在加速器里所能达到的能量要低得多。为了保持电子的轨道，在施加磁场使它偏转时，它就会发射很强的辐射。随着能量的增加，同步加速器的辐射也增加得很快。世界上最大的电子同步加速器LEP电子-正电子对撞机，它有个周长为27千米的圆环，它最大可把电子能量增加到100 Gev。电子每运行一圈要损失百分之几的能量，因此，要使它能量增加，必须要用超导高频共振器的复杂系统给它继续加速。
在实验粒子物理中，或许最大的进步是，人们能够实现在加速器内部（加速腔）使束粒子迎头对撞。在这个过程中，束粒子的所有能量都能被用来产生新的更重的基本粒子。因此最强大的加速器是对撞机，在加速过程中，束粒子在储存环里被加速许多小时，而后送到“作用点"迎头对撞。构成物质的两个最重要的基本粒子和它们的反粒子，质子和反质子、电子和反电子，常被用作束粒子。
表2粒子物理中使用的大加速器，通常是不同粒子对以高能碰撞
未来的加速器
对于下一代非常高能的机器，只有两种类型加速器是优势的候选者：质子-质子环形对撞机和电子-正电子直线对撞机。在CERN，现在的工作是改进型的巨大强子对撞机（LHC）；它把两个相反方向的质子束的能量加速到7000 Gev，用超流氨冷却超导磁体，而使其达到的磁场强度比HERA的强50%。根据加速器里运行的电子或正电子的加速度，LEP加速器已达到了环形加速器的极限：在100 Gev同步辐射引起的能量损失已不能再被补偿。如果想达到更大的能量，必须要用直线加速器。这样的加速器大约有30千米长，其中80%的距离是高频加速管道。在DESY国际合作组织计划制造的TESLA对撞机，设计的总能量为100 Gev到800 Gev。其中的主要技术挑战是如何以最小的经费建造出极强的加速场。在过去10年，加速电压已增加了5倍。用特殊的共振器现在能达到比4000万/m还大的电场强度。
当TESLA的电子束达到极高的品质时，它就能被用来产生极强的X-射线激光，比先前介绍的X-射线源大10亿倍。用这种激光，人们能以原子精度在原子时标细看到材料的化学或生物的微观过程。这种全新的激光原理最近在DESY已成功地被检验。
在未来的粒子物理科学发现中，更强大的加速器将继续是绝对必要的设备。