粒子物理学
当代物理学最重要的分支之一是研究物质的基本亚原子成分，即基本粒子。这个领域，也被称为高能物理学，出现在1930年代，从核和宇宙射线物理学的发展实验领域出现。最初，研究人员研究了宇宙射线，即落在地球上并在大气中相互作用的超高能外星辐射(见下面的物理学方法论)。然而，二战后，科学家逐渐开始使用高能粒子加速器为研究提供亚原子粒子。量子场论是QED对其他类型的力场的推广，对于分析高能物理至关重要。亚原子粒子不能被可视化为普通物质物体(如台球)的微小类似物，因为它们具有从经典观点来看似乎是矛盾的性质。也就是说，虽然它们具有电荷、自旋、质量、磁性和其他复杂的特性，但它们仍然被认为是尖状的。
在20世纪下半叶，涉及两种亚原子粒子的物质底层的连贯图景演变：费米子(重子和轻子)，它们具有奇数半积分角动量(自旋1/2，3/2)并构成普通物质;玻色子(胶子、介子和光子)，它们具有积分自旋并介导物理学的基本力。轻子(例如，电子，μ介子，taus)，胶子和光子被认为是真正的基本粒子。重子(例如，中子，质子)和介子(例如，介子，Kaons)，统称为强子，被认为由称为夸克的不可分割元素形成，这些元素从未被隔离过。
夸克有六种类型或“味道”，并具有匹配的反粒子，称为反夸克。夸克的电荷是电子电荷的正三分之二或负三分之一，而反夸克的电荷则相反。像夸克一样，每个轻子都有一个反粒子，其性质反映了其伙伴的性质(带负电电子的反粒子是正电子或正电子;中微子的反粒子是反中微子)。除了它们的电和磁特性外，夸克还参与强力(将它们结合在一起)和弱力(这是某些形式的放射性的基础)，而轻子只参与弱力。
重子，如中子和质子，是由三个夸克组合形成的，因此重子的电荷为-1、0或1。介子是介导原子核内部强力的粒子，由一个夸克和一个反夸克组成;所有已知的介子的电荷为-2、-1、0、1或2。大多数可能的夸克组合或强子的寿命都很短，其中许多从未见过，尽管每一代更强大的粒子加速器都观察到了额外的夸克组合。
夸克和轻子相互作用并与之相互作用的量子场由称为量子的粒子状物体组成(量子力学由此得名)。第一个已知的量子是电磁场的量子;它们也被称为光子，因为光由它们组成。一种现代的弱相互作用和电磁相互作用的统一理论，称为电弱理论，提出弱力涉及质量约为质子100倍的粒子交换。已经观察到这些大质量量子 - 即两个带电粒子W+和W-，以及一个中性粒子W0。
在被称为量子色动力学(QCD)的强力理论中，八个量子，称为胶子，结合夸克形成重子，也将夸克与反夸克结合形成介子，这种力本身被称为“颜色力”。(这种对术语颜色的不寻常使用在某种程度上是普通颜色混合的强制类比。夸克据说有三种颜色——红色、蓝色和绿色。(这些假想颜色的对立面，减去红色，负蓝色和负绿色，归因于反夸克。只有某些颜色组合，即中性颜色或“白色”(即上述颜色的相等混合物相互抵消，导致没有净颜色)，被推测以可观察的形式存在于自然界中。胶子和夸克本身是有色的，是永久限制的(深深地结合在它们所属的粒子中)，而色中性复合材料如质子可以直接观察到。颜色限制的一个结果是可观测粒子要么是电中性的，要么具有电子电荷的整数倍的电荷。QCD的许多具体预测已经过实验测试并发现正确。
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