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发现夸克
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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。
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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。
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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。
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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。
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固定靶实验与粒子对撞机
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发现了夸克的那类实验，即被加速的一束电子束被直接发射到固定物质上的实验，被称为固定靶实验（fixed-target experiment），其目标靶很容易被击中。
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固定靶实验
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指将被加速的电子束发射到固定物质上的实验。目标很容易被电子束击中。
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目前最高能标的加速器与此不同。它们涉及两个粒子束的对撞，每一束都被加速到极高的能标（图6-2是一个对比）。如我们所想象的，两束粒子必须被高度集中在一个小区域里，以保证对撞能发生。这极大地减少了我们预期发生的对撞数量，因为一个粒子束更可能与一大块物质，而非另一束粒子发生相互作用。
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图6-2 某些粒子加速器在粒子束与固定靶之间形成相互作用，另一些则把两束粒子对撞在一起。
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粒子束-粒子束对撞有一个很大的好处。这些对撞可以达到非常高的能标。
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爱因斯坦曾经提到过对撞机比固定靶实验更加风靡的原因：这与系统的不变质量（invariant mass）相关。虽然爱因斯坦因相对论而成名，他却认为更应将其命名为“不变理论”。其理论的真正要点是，找到一种避免被特殊参考系误导的方法，以找到决定系统特征的不变量。
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这个理念可能在一些空间性质（比如长度）上于我们而言更加熟悉。固定物体的长度取决于它在空间中如何被定位。事物具有固定的尺寸，且不随着人的观测而改变；而坐标系不同，它由事先确定的任意坐标轴与方向构成。
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相似地，爱因斯坦发明了一种描述事件的方法，它不依赖于观测者本身的位置或动量。不变质量是对物体总能量的一种衡量。它告诉我们，在已知系统中能量的情况下，可能产生的物质有多重。
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为了确定不变质量的数值，我们可以提出如下的问题：假使系统是静止的（完全没有速度或者动量），那么它将带有多少能量？ 如果一个系统没有动量，那么我们就可以应用方程E=mc2 。因此，一个系统的静能量等同于知道它的不变质量。当系统不处于静止状态时，我们需要一个更加复杂版本的公式，它依赖于动量与能量的数值。
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假定我们把两个具有相同能量、等大反向动量的粒子束对撞在一起，它们碰撞过程的总动量为零。这意味着整个系统已经是静止状态的。因此，全部能量（两个单独粒子束中每个粒子的能量之和）都可以转变为质量。
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固定靶实验则大不相同。入射粒子束有很大的动量，而靶本身没有动量。并非所有能量都可以用来产生新粒子，因为这个由靶与入射粒子束共同构成的复合系统依旧在运动。由于这种运动的存在，并非所有对撞中的能量都可以用来产生新粒子，因为还有一部分能量以与动量相关的动能形式存在着。最终，有效能量大致只有入射粒子束与靶能量乘积的平方根的数量级。这意味着，如果我们把入射质子束的能量增大100倍，并把它与一个静止的质子碰撞，产生新粒子的有效能量只会增长10倍。
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这告诉我们，在固定靶与粒子束-粒子束对撞之间存在着巨大差别。粒子束-粒子束对撞的能量远远高于粒子束-固定靶碰撞，你大概会预期前者约是后者的两倍。然而这个猜测是以牛顿思想为出发点的，并不适用于接近光速运动的相对论性粒子。固定靶碰撞与粒子束-粒子束对撞相比，能量的差异远大于之前简单的猜想，因为在近光速的情形下，相对论进入了舞台。当想要达到高能标时，我们别无选择，唯有使用粒子对撞机，把两束粒子加速到极高的能标而碰撞在一起。同时加速两束粒子可以获得更高的能量，因此可以产生更强烈的碰撞。
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大型强子对撞机正是粒子对撞机的一个例子，它把被磁场约束而瞄准的两束粒子对撞在一起。决定对撞机（比如大型强子对撞机）性能的主要参数是参与对撞粒子的类型、加速之后能拥有的最高能标、对撞机的发光度（luminosity，指结合的粒子束的强度以及出现的事件数）。
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哪种对撞机才是最佳选择
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一旦我们确定了同时使两束粒子参与对撞，相比固定靶实验就可以提供更高的能量（因此可以探索更小的尺度），接下来的问题就是用什么来进行对撞了。这引发了一些有趣的选择。特别地，我们必须决定要加速哪些粒子以参与对撞。
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使用地球上轻而易举就能获得的物质无疑是个好主意。从原则上讲，我们可以尝试把不稳定的粒子对撞在一起，比如很快就会衰变为电子的μ子，或者如顶夸克这种很快就会衰变为其他较轻物质的重夸克。
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