粒子物理學
粒子物理學是研究組成物質和射線的基本粒子以及它們之間相互作用的一個物理學分支。由於許多基本粒子在大自然的一般條件下不存在或不單獨出現，物理學家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產和研究它們，因此粒子物理學也被稱為 高能物理學。
亞原子粒子
現代粒子物理學的研究集中在亞原子粒子上。這些粒子的結構比原子要小，其中包括原子的組成部分如電子、質子和中子（質子和中子本身又是由夸克所組成的粒子）和放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和μ子，以及許多其它奇特的粒子。
嚴格地說“粒子”這個稱呼不精確，粒子物理學中研究的所有的物體都遵守量子力學的規則，它們都顯示波粒二象性，根據不同的實驗條件它們顯示粒子的特性或波的特性。在物理理論中，它們既非粒子也非波，理論學家用希爾伯特空間中的狀態矢量來描寫它們，詳細的理論基礎為量子場論。但按照粒子物理學的常規在這篇文章中這些物體依然被稱為“粒子”，雖然這些粒子也具有波的特性。
今天所知的所有基本粒子都可以用一個叫做粒子物理標準模型的量子場論來描寫。標準模型是目前粒子物理學中最好的理論，它包含37種基本粒子，這些基本粒子相互結合可以形成更加複雜的粒子。從1960年代以來實驗物理學家已經發現和觀察到了上百種複合粒子了。標準模型理論幾乎與至今為止觀察到的所有的實驗數據相符合。雖然如此大多數粒子物理學家相信它依然是一個不完善的理論，一個更加基本的理論還有待發現。最近發現的中微子靜質量不為零是第一個與標準模型出現偏差的實驗觀測。
歷史
前6世紀古希臘的哲學家就提出物質是由基本粒子組成的猜測。流西普斯、德謨克里特斯和伊比鳩魯是“原子論”的代表人物。17世紀時艾薩克·牛頓也有過物質是由粒子組成的想法。1802年約翰·道爾頓正式提出所有物質是由原子組成的理論。
1869年季米特里·門捷列夫發表的元素周期表加深了原子論的構想。約瑟夫·湯姆孫發現了原子中存在帶有負電荷、質量非常小的電子，認為原子是由質子和被束縛的電子組成的。歐內斯特·盧瑟福證明質子集中在非常緊密的原子核中。1932年英國物理學家查德威克發現了中子，至此，人們認識到原子核是由質子和中子組成的，電子在原子核外運動。
20世紀原子物理學和量子物理學的研究導致了裂變和聚變的發現和實驗成功。人類能夠將一個元素的原子轉換成另一個元素的原子。
1950年代和60年代中許多新的粒子被發現，它們被統稱為“粒子動物園”。直到1970年代粒子物理的標準模型建立，將大多數這些粒子看作是少數基本粒子的複合粒子後這個混亂才減輕。
標準模型理論
目前描寫基本粒子的最成功的理論是標準模型理論，它使用規範玻色子來描寫強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。光子、W及Z玻色子和膠子都屬於規範玻色子。此外按標準模型理論物質是由24種基本粒子組成的，最後這個理論還預言了希格斯玻色子。
展望
世界各地的粒子物理學家對粒子物理學近期和中期最重要的目標的見解是一致的。近期的目標是於2007年完成大型強子對撞機並用它來尋找希格斯玻色子和超對稱粒子。中期的目標是建造國際直線對撞機（International_Linear_Collider, ILC）。這個對撞機的技術實現方法已於2004年8月決定，但其地址還沒有決定。國際直線對撞機與大型強子對撞機是互相補充的實驗設備，大型強子對撞機更適合用來尋找新的粒子，而國際直線對撞機則更適合用來精確地測量這些粒子的特性。
粒子物理學的其它重要目標包括測量中微子的靜質量和澄清質子的雙重β衰變是否存在。這些實驗不一定需要使用對撞機。
連續對稱
在數學裡， 連續對稱是觀察如運動等之某些對稱性概念而自然產生出的觀念，和由一個狀態翻轉至另一狀態而不變的鏡射對稱相對。它大量地且成功地被公式化於數學的許多如拓撲群、李群及群作用等概念上。連續對稱在這些公式化的概念中，最實用的是在拓撲群之群作用中的被套用。
最簡單的運動可以視為如三維空間中的歐幾里德群等李群的單參數子群。例如，平行x軸、u單位量之平移為單參數群。繞為z軸的旋轉也是單參數群。
連續對稱在理論物理中的諾特定理有著很基本的重要性，此定理由系統的對稱(尤其是連續對稱)中導出守恆定律來。
自發對稱破缺
自發對稱破缺（spontaneous symmetry breaking）是某些物理系統實現對稱性破缺的模式。當物理系統所遵守的自然定律具有某種對稱性，而物理系統本身並不具有這種對稱性，則稱此現象為自發對稱破缺。這是一種自發性過程（spontaneous process），由於這過程，本來具有這種對稱性的物理系統，最終變得不再具有這種對稱性，或不再表現出這種對稱性，因此這種對稱性被隱藏。因為自發對稱破缺，有些物理系統的運動方程或拉格朗日量遵守這種對稱性，但是最低能量解答不具有這種對稱性。從描述物理現象的拉格朗日量或運動方程，可以對於這現象做分析研究。
對稱性破缺主要分為自發對稱破缺與明顯對稱性破缺兩種。假若在物理系統的拉格朗日量里存在著一個或多個違反某種對稱性的項目，因此導致系統的物理行為不具備這種對稱性，則稱此為明顯對稱性破缺。
如右圖所示，假設在墨西哥帽（sombrero）的帽頂有一個圓球。這個圓球是處於旋轉對稱性狀態，對於繞著帽子中心軸的旋轉，圓球的位置不變。這圓球也處於局部最大引力勢的狀態，極不穩定，稍加攝動，就可以促使圓球滾落至帽子谷底的任意位置，因此降低至最小引力勢位置，使得旋轉對稱性被打破。儘管這圓球在帽子谷底的所有可能位置因旋轉對稱性而相互關聯，圓球實際實現的帽子谷底位置不具有旋轉對稱性──對於繞著帽子中心軸的旋轉，圓球的位置會改變。
大多數物質的簡單相態或相變，例如晶體、磁鐵、一般超導體等等，可以從自發對稱破缺的觀點來了解。像分數量子霍爾效應（fractional quantum Hall effect）一類的拓撲相（topological phase）物質是值得注意的例外。
玻色子
在量子力學裡，粒子可以分為 玻色子（英語： boson）與費米子。保羅·狄拉克為了紀念印度物理學者薩特延德拉·玻色的貢獻，因此給出玻色子的命名。玻色與阿爾伯特·愛因斯坦合作發展出的玻色-愛因斯坦統計可以描述玻色子的性質。在所有基本粒子中，標準模型的幾個傳遞作用力的規範子，光子、膠子、W玻色子、Z玻色子都是玻色子，賦予基本粒子質量的希格斯子是玻色子，已被證實。在量子引力理論里傳遞引力的引力子也是玻色子，尚未被證實存在。在複合粒子裡，介子是玻色子，質量數為偶數的穩定原子核，像重氫H（原子核由一顆質子和一顆中子組成，質量數為2）、氦-4、鉛-208等也是玻色子，準粒子像庫柏對、等離體子、聲子等都是玻色子。
多個玻色子可以同時占有同樣量子態。這是一個很重要的性質。當氦-4因冷卻變為超流體時，會顯示出這種性質。與之相比，兩個費米子不能同時占有同樣的量子態。組成物質的基本粒子是費米子，例如，輕子、夸克。玻色子傳遞作用力使得費米子能夠連結在一起。由於玻色子的作用，物質能夠黏結在一起。
定義與性質
玻色子定義為遵守玻色-愛因斯坦統計的粒子；根據玻色-愛因斯坦統計，對於N個全同玻色子，假設將其中任意兩個玻色子交換，則由於描述這量子系統的波函式具有對稱性，波函式不會改變。 費米子遵守費米狄拉克統計；根據費米狄拉克統計，對於N個全同費米子，假設將其中任意兩個費米子交換，則由於描述這量子系統的波函式具有反對稱性，波函式的正負號會改變。由於這特性，費米子遵守包利不相容原理：兩個全同費米子不能占有同樣的量子態。因此，物質具有有限體積與硬度。費米子被稱為物質的組成成分。
所有已知基本或複合粒子，依照自旋而定，自旋為整數的粒子是玻色子，自旋為半整數的粒子是費米子。在非相對論性量子力學裡，這純為經驗觀察；但在相對論性量子場論里，自旋統計定理表明，半整數的粒子不能成為玻色子，整數的粒子不能成為費米子。
雷射、激微波、超流體、玻色-愛因斯坦凝聚的基礎物理機制為玻色子所遵守的玻色-愛因斯坦統計。另外一個結果是處於熱力學平衡的光子氣體，其光譜是普朗克譜，例如，黑體輻射、現今稱為微波背景輻射的不透明早期宇宙的熱輻射。虛玻色子與真實粒子之間的相互作用造成了所有已知的作用力，除了引力已外。
在大型系統里，只當在粒子密度很大時，也就是說，當它們的波函式重疊時，玻色子統計與費米子統計才會顯示出來；在密度很小時，兩種統計都可以用經典力學的麥克斯韋-玻爾茲曼統計作良好近似。
基本玻色子
所有觀測到的基本粒子，不是費米子，就是玻色子。所有觀測到的基本玻色子都是規範玻色子：光子、W玻色子、Z玻色子、膠子、希格斯玻色子。
•膠子-強相互作用的媒介粒子，自旋為1，有8種。
•光子-電磁相互作用的媒介粒子，自旋為1，只有1種。
•W及Z玻色子-弱相互作用的媒介粒子，自旋為1，有3種。
•希格斯玻色子- 通過希格斯機制將質量給予其它粒子，自旋為0，目前只發現1種。
•引力子-引力相互作用的媒介粒子，自旋為2，只有1種，尚未被發現。
複合玻色子
複合粒子是由幾個粒子組成，例如，強子、原子核、原子等等。依照組成粒子的自旋，複合粒子可以是玻色子或費米子。更精確地說，由於自旋與統計之間的關係，由偶數個費米子組成的粒子是玻色子，因為它的自旋為整數。
•介子是玻色子，它是由一個夸克與一個對應的反夸克組成的強子。
•由偶數個核子組成的原子核是玻色子。質子和中子都是費米子，含偶數個核子的原子核具有整數自旋，例如，碳-12有六個質子、六個中子。
•氦-4有兩個質子、兩個中子、兩個電子，是複合玻色子。
參見
•CP破壞
•動力學對稱性破缺
•明顯對稱性破缺
•南部-戈德斯通定理
•大統一理論
•量子漲落
•對稱性破缺
•快子
