1700951430
量子力学告诉我们，波函数描述了在任何给定位置找到某个粒子的概率。这种波函数可能与光相关，或者是量子力学告诉我们的被单个粒子秘密携带的那种波。那些波的波长告诉我们使用粒子或者辐射探测小尺度时可能获得的结果。
1700951431
1700951432
量子力学还告诉我们，波长越短，需要的能量就越高。这是因为它与频率相关，而这直接决定能量[24] ，所以频率最高、波长最短的波携带的能量最高。因此，量子力学把高能标与小尺度联系在一起，只有在高能标下运作的实验才能探测到物质的内部运作机理。如果我们希望探测物质的基本核心，那么这就是我们需要把粒子加速到极高能标探测器的最基本理由。
1700951433
1700951434
量子力学的波函数关系式告诉我们，足够高的能量可以让我们探测到小尺度上的事物，以及相应尺度上发生的相互作用。只有使用更高的能标（因此必须有更短的波长），我们才能研究那些更小的尺度。量子力学中的不确定性原理告诉我们，小尺度与大动量相联系，而狭义相对论为我们提供了能量、质量与动量之间的关系，它们一起使得这些联系变得精确起来。
1700951435
1700951436
在这些的基础上，爱因斯坦告诉我们，质量与能量是可以相互转化的。当粒子之间碰撞时，它们的质量可以转变为能量。所以在更高的能标上，根据E=mc2 ，更重的物质可以产生出来。这个方程意味着，更高的能量E允许具有更高质量m的更重粒子产生，而这种能量是普遍存在的，它可以产生任何在运动学上可以理解（或者说足够轻）类型的粒子。
1700951437
1700951438
我们目前能达到的能标越高，能达到的尺度就越小，而那些创造出来的粒子是理解在那些尺度上所适用的基本物理定律的关键。任何在小尺度上突现的新高能粒子与相互作用都保留着解码所谓粒子物理学标准模型的线索，这描述了我们目前对物质最基本元素及其相互作用的理解。我们现在要考虑一些标准模型中的关键发现，以及目前应用的一些把已有知识向前推进一步的方法。
1700951439
1700951440
把电子“扯开”
1700951441
1700951442
每一次原子内部之旅的目标——绕核旋转的电子、质子与中子中被胶子“黏”在一起的夸克，都成功地在高能标与伴随的小尺度上被实验探测到了。我们已经知道，通过因为带有相异电性而存在的吸引力，原子中的电子被束缚在原子核附近。这种吸引力赋予这个束缚态系统（原子）的能量比那些带电的组分在孤立状态时的能量之和要低。因此，为了把电子孤立出来以供研究，我们必须提供足够的能量以把它们电离（ionize），这意味着把电子“扯开”以获得自由。一旦电子被孤立，物理学家们就可以研究它更多的性质，比如它的质量与它带有的电荷。
1700951443
1700951444
原子核（原子中除去电子之外的部分）的发现更加奇妙。在一个粒子物理学实验中，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）与他的学生通过往薄如蝉翼的金箔上发射氦原子核，而发现了原子核的存在。那些α粒子[25] 拥有足够的能量，以让卢瑟福辨认出原子核中的内部结构。卢瑟福与他的同事们发现，他们发射到金箔上α粒子的散射角有时比理论值要大很多（见图6-1）。他们本期待α粒子应该如被发射到一张薄纸上一样被散射，然而实际情况却是，这些薄纸的内部好像有一些坚硬无比的石头。用卢瑟福自己的话来说就是：[2]
1700951445
1700951446
这是我一生中最难以置信的发现。这就像你向一张薄如蝉翼的纸上发射了一个4.5米口径的炮弹，而它反弹回来并且打到了你身上一样不可思议。经过仔细考量，我意识到这种反弹的散射一定是单次碰撞的结果，而当我试图计算时，我发现不可能在那样巨大的数量级上产生任何有意义的结果。除非认为系统是这个样子的：大部分原子的质量都被集中在一个很小的原子核里。就是那时，我产生了‘原子具有一个载荷、微小而质量极大的原子核’的想法。
1700951447
1700951448
1700951449
1700951450
1700951451
图6-1 卢瑟福实验中在金箔上散射的α粒子（我们现在知道它就是氦原子核）。某些α粒子散射角预期之外的偏差说明，在原子的中心存在着一些集中的质量——这就是原子核。
1700951452
1700951453
发现质子与中子中夸克的实验手段在某些方面与卢瑟福的方法非常类似，然而它需要比卢瑟福用过的α粒子还要高的能标。这种更高的能标需要粒子加速器，以把电子与质子加速到足够高的能标并发射出去。
1700951454
1700951455
第一个环形粒子加速器被命名为“回旋加速器”（cyclotron），这是因为那些粒子被加速的路径是环形的。欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）于1932年在加州大学建造了第一台回旋加速器。这台机器直径不到0.3米，按照现代标准，它是非常无力的，它能提供的能量远远不够我们寻找夸克所需的。这个成就只有当加速器的技术发展到一定水平时才会被人们达成（沿着这条路走下去的技术也会导致一系列的重要发现）。
1700951456
1700951457
在夸克与原子核的内部结构被发现之前，埃米利奥·塞格雷（Emilio Segrè）与欧文·张伯伦（Owen Chamberlain）于1955年在劳伦斯伯克利实验室（Lawrence Berkeley Laboratory）的高能质子同步稳相加速器（Bevatron）上就发现了反质子（antiproton），并因此共同获得了1959年的诺贝尔物理学奖。高能质子同步稳相加速器比回旋加速器更加精细、复杂，它可以把质子加速到6倍于其静质量的能量[26] ——这足以产生质子-反质子粒子对。高能质子同步稳相加速器中的质子束轰击靶并（根据E=mc2 ）产生奇异物质，其中包括反质子与反中子（antineutron）。
1700951458
1700951459
反物质
1700951460
1700951461
指反原子核由反质子与反中子组成的带负电荷的物质。由于物质与反物质的总荷为零，物质在与其对应的反物质相遇时会湮灭。
1700951462
1700951463
反物质（antimatter）在粒子物理学中扮演着很重要的角色，所以我们将用一点时间来探索这种与日常观测到的物质相对应的重要事物。由于物质与反物质的总荷为零，物质在与其对应的反物质相遇时会湮灭。例如，根据E=mc2 ，反质子（反物质的一种形态）可以与质子结合并化为纯粹的能量。
1700951464
1700951465
英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）于1927年在试图寻找描述电子行为的方程时首次用数学方法“发现”了反物质。他唯一能写下的与已知的对称原理（symmetry principle）相容的方程暗示了，带有与已知粒子相同质量、相异电荷粒子的存在，这种粒子之前从未被人们发现过。
1700951466
1700951467
狄拉克为他的方程绞尽脑汁，最终认为这种神秘的粒子必然存在。美国物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）于1932年发现了正电子（positron），这证实了狄拉克的主张：“方程比我更加可信。”反质子（显然更重）在20多年之后才被人们发现。
1700951468
1700951469
反质子的发现不仅对确认它们的存在而言十分重要，而且对确证于解释宇宙运作规律的物理定律而言，基本的物质-反物质对称性也是必不可少的。毕竟，世界是由物质而非反物质构成的。绝大多数日常物质的质量是由质子和中子，而非其反粒子所携带的。这种物质与反物质的不对称性对世界有着决定性的地位，然而我们还不知道它是如何出现的。
1700951470
1700951471
发现夸克
1700951472
1700951473
1967-1973年，杰尔姆·弗里德曼（Jerome Friedman）、亨利·肯德尔（Henry Kendall）与理查德·泰勒（Richard Taylor）做了一系列实验，确证了质子与中子中夸克的存在。他们在直线加速器（linear accelerator）中完成实验。这种加速器与回旋加速器和高能质子同步稳相加速器不同，它只能沿着一条直线加速电子。这个加速器中心被命名为斯坦福直线加速器中心（SLAC），它位于帕洛阿尔托（Palo Alto）。经SLAC加速的电子会辐射出光子。这些高能（因而波长很短的）光子与原子核中的夸克相互作用。弗里德曼、肯德尔与泰勒测量了逐渐增加对撞能量时相互作用的变化率。如果原子核没有内部结构，那么这个变化率应该逐渐递减；如果原子核存在内部结构，变化率依旧会减少，然而其减少的速率会变缓许多。在卢瑟福发现原子核数年之前，这些散射结果（在这种情况下是光子）就表现得非常不同，这暗示着质子并不只是一个没有内部结构的质点。
1700951474
1700951475
虽然如此，即便是有在必要能标下进行的实验结果的支持，想要辨认出夸克也并非一件轻而易举的任务。理论与技术都必须确保实验的特征信号可以被预期与理解。由理论物理学家詹姆斯·布约肯（James Bjorken）与理查德·费曼所做的见解深刻的实验与理论分析指出，实验确定的变化率支持原子核中存在内部结构的假说，因此确证质子与中子的内部结构——夸克就被发现了。弗里德曼、肯德尔与泰勒因此获得了1990年的诺贝尔物理学奖。
1700951476
1700951477
没有人能通过肉眼直接观察到夸克或是它的性质，可行的方法必然是间接的。即便如此，观测结果也确证了夸克的存在。在理论预期、测量到的性质与起初解释本质的夸克假说之间的一致，确证了它们的存在。
1700951478
1700951479
随着时代的发展，物理学家与工程师们发明了各种越来越先进的加速器，它们在越来越大的尺度上运行，把粒子加速到越来越高的能标上。越大、越好的加速器可以产生具有越来越高能标的粒子，它们被用来探索更小尺度上的结构。其发现确证了标准模型，因为标准模型中的每个元素都一一被发现了。