Alla metà degli anni '30, sembrava che la conoscenza della struttura fondamentale della materia fosse pressocchè completa. Anni prima Rutherford aveva dimostrato che gli atomi avevano dei nuclei, piccoli, ma dotati di massa. La teoria quantistica aveva reso ragione degli spettri atomici e degli orbitali elettronici. La scoperta del neutrone aveva spiegato gli isotopi nucleari. In questo modo, protoni, neutroni, ed elettroni costituivano gli elementi fondamentali di tutta la materia. Ma restavano alcuni problemi aperti:
Cosa tiene insieme i protoni e neutroni a formare il nucleo?
Quali sono le forze coinvolte nei decadimenti nucleari radioattivi che danno vita a raggi alfa, beta e gamma?
Per studiare il nucleo e le interazioni tra i neutroni e i protoni che lo formano, i fisici avevano bisogno di uno strumento che potesse guardare all'interno del piccolo nucleo, come i primi esperimenti avevano guardato all'interno dell'atomo. L'acceleratore è uno strumento che permette ai fisici di analizzare strutture minutissime in quanto produce particelle di grande momento, e quindi di piccola lunghezza d'onda. La lunghezza d'onda
(
) è inversamente proporzionale alla quantita di moto (p) di una particella
(= h/p),
dove h = costante di Planck.
Gli esperimenti di fisica delle particelle studiano le collisioni di particelle di alta energia prodotte negli acceleratori. Negli esperimenti moderni, il punto di collisione è circondato da enormi rivelatori composti da molti strati. Ogni strato assolve una precisa funzione, perché il rivelatore sia complessivamente in grado di seguire le tracce e ricostruire l'identità di ciascuna delle varie particelle che possono venir prodotte in una collisione.
Con grande sorpresa dei fisici, gli esperimenti con gli acceleratori rivelarono che il mondo delle particelle era molto ricco; furono scoperti molti tipi di particelle simili a protoni e neutroni (i barioni), e un'intera famiglia nuova, i mesoni. Entro la metà degli anni '60 erano stati identificati circa cento tipi di particelle, e i fisici non conoscevano ancora sistematicamente le forze fondamentali.
Nel 1964, due fisici - Murray Gell-Mann e George Zweig - indipendentemente giunsero all'idea che i neutroni, i protoni e tutte le nuove particelle potessero essere riportate a pochi tipi di oggetti ancora più piccoli; Gell-Mann chiamò questi oggetti quark. Gell-Mann e Zwieg riuscivano a ricondurre tutti i
barioni e i mesoni osservati a tre soli tipi di quark (oggi chiamati up, down, e strange) e ai loro corrispondenti antiquark. La caratteristica rivoluzionaria della loro idea era che bisognava assegnare ai quark cariche elettriche di +2/3 e -1/3 (rispetto alla carica del protone): cariche del genere non erano mai state osservate!
Gli antiquark sono i corrispondenti di antimateria dei quark; rispetto ai quark corrispondenti, hanno stessa massa ma carica opposta. Quando un quark incontra il suo antiquark, possono annichilarsi, scomparendo per dar vita a qualche altra forma di energia.
Circa trenta anni e molti esperimenti dopo, l'idea dei quark è stata confermata. Ora fa parte del Modello Standard delle particelle e delle forze fondamentali. Nuove scoperte hanno dimostrato che esistono sei tipi di quark (chiamati up, down, strange, charm, bottom e top, in ordine di massa crescente). Inoltre, ci sono sei tipi di particelle, tra cui l'elettrone, chiamati leptoni. Il Modello Standard spiega le interazioni forte, debole ed elettromagnetica tra i quark e i leptoni, e in questa maniera rende ragione delle strutture dei legami e dei decadimenti nucleari.
Il motivo per cui cariche elettriche frazionarie come quelle dei quark non sono mai state osservate è che i quark non si trovano mai isolati, ma solo all'interno di particelle composte, chiamate adroni. Ci sono due classi di adroni: i barioni, che contengono tre quark, e i mesoni, che contengono un quark e un antiquark. Le tabelle degli adroni all'interno della tavola del Modello Standard presentano alcuni esempi delle molte particelle note. Particelle composte dai primi cinque tipi di quark sono state prodotte e studiate presso gli acceleratori. Il quark top ha massa così grande che, per produrlo, ci sono voluti molti anni e acceleratori di altissima energia. Il qurk top è stato finalmente osservato nell'aprile 1995 a Fermilab.
Diversamente dai quark, ciascuno dei sei leptoni può essere trovato isolato. L'elettrone è il leptone meglio conosciuto. Due altri leptoni carichi il muone (scoperto nel 1936), e il tau (scoperto nel 1975) differiscono dall'elettrone solo per 
il fatto che hanno massa molto maggiore.
Gli altri tre leptoni sono particelle molto elusive, chiamate neutrini, che non hanno carica elettrica, e hanno massa piccolissima, se non nulla. Ad ogni tipo di leptone dotato di carica
corrisponde un tipo di neutrino. Per ciascuno dei sei leptoni esiste un antileptone, di massa uguale e carica opposta.
Ora conosciamo gli elementi che costituiscono la materia, ma dobbiamo ancora chiederci: cosa li tiene insieme? Tutte le forze sono dovute alle soggiacenti interazioni tra le particelle. Le interazioni sono di quattro tipi: gravitazionale, elettromagnetica, forte e debole. La gravità è probabilmente la forza più familiare, ma non è inclusa nel Modello Standard perché i suoi effetti sono minimi nei processi subatomici e, inoltre, i fisici non sanno ancora come fare ad includerla.
Anche le forze elettromagnetiche sono abbastanza familiari; sono responsabili del legame tra gli elettroni e i nuclei, a formare atomi elettricamente neutri. Gli atomi si combinano a formare molecole o cristalli grazie agli effetti elettromagnetici che agiscono sui loro
elementi carichi. Gran parte delle forze che sperimentiamo ogni giorno, come il sostegno del pavimento, o l'attrito, derivano dalle forze elettromagnetiche che si oppongono a che gli atomi o gli elettroni si spostino dalla loro posizione di equilibrio in un materiale.
Nei processi tra le particelle le forze vengono descritte in termini di scambi tra le particelle: ad ogni tipo di forza viene associato un mediatore di forza. Il mediatore della forza elettromagnetica è il fotone; i fotoni di una transizione nucleare sono chiamati "raggi gamma".
Su distanze molto superiori alla dimensione del nucleo atomico le rimanenti due forze hanno solo effetti minimi -- perciò non possiamo notarli ordinariamente. Ma da loro dipende l'esistenza di tutto ciò di cui è fatto il mondo; e da loro dipendono anche i processi di decadimento che rendono instabili certi tipi di materia.
L'interazione forte tiene insieme i quark a formare gli adroni; i suoi mediatori hanno il bizzarro nome di gluoni perché "incollano" i quark (e "colla" in inglese si dice "glue"). Il legame tra neutroni e protoni nei nuclei è un effetto dell'interazione forte residua, dovuto alle intense interazioni tra i quak e i gluoni che li costituiscono. I leptoni non sono soggetti all'interazione forte.
L'interazione debole dà vita agli unici processi in cui un quark può cambiarsi in un altro tipo di quark, o un leptone in un altro leptone.
E' responsabile del fatto che tutti i quark e leptoni di grande massa decadano per produrre quark e leptoni più leggeri. Questo è il motivo per cui la materia stabile che ci circonda contiene solo elettroni e i due tipi più leggeri di quark (up e down). I mediatori dell'interazione debole sono i bosoni W e Z. Il decadimento beta dei nuclei è stato il primo processo di interazione debole mai osservato: in un nucleo ove ci sia sufficiente energia, un neutrone diventa un protone ed emette un elettrone e un antineutrino-elettrone. Gli elettroni emessi costituiscono i "raggi beta".
Così ora abbiamo spiegato i raggi beta e gamma: e gli alfa? Le particelle alfa sono nuclei di elio -- prodotti di fissione nucleare. La fissione è il rompersi di un nucleo grosso in nuclei più piccoli; questo avviene quando la somma delle masse dei nuclei più piccoli è inferiore alla massa del nucleo generatore. Questo è un effetto dell'interazione forte residua.
Il Modello Standard risolve molti dei problemi sulla struttura e la stabilità della materia con i suoi sei tipi di quark, sei tipi di leptoni, e quattro tipi di forze.
Ma il Modello Standard lascia aperte molte altre questioni: Perché ci sono tre tipi di quark e di leptoni per ciascuna carica? C'è qualche regolarità nella distribuzione delle loro masse? Ci sono altri tipi di particelle o forze ancora da scoprire con acceleratori più potenti? I leptoni e i quark sono davvero fondamentali, o hanno anche loro una struttura interna? Come possiamo includere nel modello anche l'interazione gravitazionale? Quali particelle costituiscono la materia oscura dell'universo?
Questi problemi spingono i fisici delle particelle a costruire e far funzionare nuovi acceleratori, in modo che collisioni ad un'energia ancora più alta possano fornire tracce per risalire alle risposte.