Физиката на високите енергии в съвременната наука е начин за изучаване структурата на материята. Древногръцките мислители предполагат, че светът е устроен просто, на основата на четири „първоелемента“. Но в историята на науката претенденти за най-малки градивни елементи на материята са били различни обекти. През XIX в. се установява, че природата е изградена от много и разнообразни атоми. Но се оказва, че атомът също има своя структура (ядро и електронна обвивка). Атомното ядро също се оказва делимо. През 30-те години на XX в. окончателно е доказано, че ядрото се състои от протони и неутрони – цялото многообразие от вещества може да се обясни с наличността на три елементарни градивни елемента: електрон, протон и неутрон. Фотонът е носителят на електромагнитно взаимодействие.
Ускорител — източник на сноп от
частици с висока енергия,
който представлява система от
електрични и магнитни полета,
конструирана с цел да ускорява
заредени частици — електрони,
протони и йони.
Но изследванията на космичните лъчи показват, че в природата съществуват и други видове частици. За изучаване свойствата на тези частици започва строителството на първите ускорители за енергии над 1 GeV – начало на развитието на физиката на високите енергии. Теоретичните изследвания във физиката на високите енергии и елементарните частици се основават на теорията на относителността, квантовата механика, квантовата теория на полето и съвременните направления в математиката. При експерименталните изследвания се използват специфични методи за ускоряване, детектиране и идентифициране на частиците, като се прилагат най-новите постижения на много технически науки.
а — електромагнитно взаимодействие; б— слабо взаимодействие: в — силно взаимодействие
Във физичните експерименти започват да се появяват една след друга различни частици, като всяка от тях обуславя предсказването на още няколко, които след време непременно се откриват, теоретиците предсказват други, те се появяват и т. н. Сега са добре известни над 250 елементарни частици, а за над 50 други има предварителни данни.
Като се изхожда от идеята за симетричност, подобно на химичните елементи и елементарните частици по свойствата си са систематизирани 6 групи. Всяка елементарна частица се определя от нейните характеристики: маса, електричен товар, време на живот, спин и др. Спинът е вроденият на елементарната частица момент на импулса, който съгласно квантовата механика може да е цяло или полуцяло число, кратно на 
където h е константата на Планк. Частиците с цял спин се наричат бозони, а с полуцял – фермиони. Първоначално частиците се делят на лептони, мезони и бариони, т. е. на леки, средно тежки и тежки частици. Лептоните са частици с полуцял спин, които не взаимодействат силно. Мезоните и барионите са силно взаимодействащи частици, наречени адрони (протон, неутрон, π-мезон). Предполага се, че всички адрони са съставени от по-фундаментални частици, които се наричат кварки. Смята се, че най-малките градивни елементи на материята, фундаменталните частици в природата са лептоните и кварките. Първоначалният кварков модел може да се формулира с три прости правила:
1. Мезоните винаги се състоят от кварк и антикварк;
2. Барионите винаги са съставени от три кварка, а антибарионите – oт съответните антикварки;
3. Никакви други комбинации от кварки не се допускат. За да се избегне противоречието с фундаменталния принцип на Паули, съгласно който два еднакви фермиона не може да се намират в еднакви състояния (това се получава при конструирането на адроните от кварки), допуска се, че кварките съществуват в три различни разновидности или условно в три „цвята“: червен, зелен и син, т. е. въвежда се нова квантова характеристика – цвят.
В природата съществуват 3
поколения лептони заедно с
техните античастици:
електрон, електронно неутрино,
мюон, мюонно неутрино,
мау, мау неутрино.
Античастиците се характеризират
с маси, спинове, времена на
живот, равни на тези на
частиците, а товарите им
(електричен, лептонен, барионен
и др.) са еднакви по големина
и противоположни по знак.
Всяка известна частица
притежава своя античастица.
Основните сили, които обуславят структурата на материята и процесите в природата, са проява на четири взаимодействия: гравитационно, електромагнитно, слабо и силно. Засега се смята, че в света на елементарните частици гравитационните взаимодействия не изпълняват никаква роля, тъй като те са многократно по-слаби от останалите. Според квантовата теория на полето останалите три взаимодействия се осъществяват с обмен на специфични за всяко взаимодействие частици. Електромагнитните взаимодействия на електрично заредените фермиони се осъществяват с обмен на фотони, а слабите – с обмен на 3 тежки (80—100 пъти по-тежки от протона) частици, наречени промеждутъчни бозони – два заредени 
и един неутрален Z°. Предполага се, че силните взаимодействия между адроните са взаимодействия между съставящите ги кварки. По доста естествен начин в теорията възниква представата, че кварките взаимодействат, като обменят хипотетични частици, наречени глуони. Тези частици с нулева маса и спин 1 
тритежават определен „цвят“. Тъй като глуоните са „цветни“, при тяхното изпускане и поглъщане кварките променят своя „цветен“ заряд, но не и вида си. Характерно за силните взаимодействия е това, че нито кварките, нито глуоните съществуват в свободно състояние, наблюдават се само техните безцветни свързани състояния. Въпреки че те не може да бъдат наблюдавани пряко, възможно е свойствата им да бъдат изучени експериментално. Едно от последните големи постижения на физиката на високите енергии е откриването на промеждутъчните бозони. Това откритие по блестящ начин потвърждава предложената от американеца С. Вайнберг и пакистанския учен А. Салам през 1966 – 1968 г. единна теория за описание на електромагнитното и слабото взаимодействие. Заедно с американеца Л. Глешоу тези учени получават Нобелова награда. Съвкупността от всички опитни данни говори в полза на кварк-глуонния характер на силните взаимодействия.
Кварките са частици със спин
0,5 и дробен електричен товар.
Предполага се съществуването
на 6 типа кварки и техните
анти-кварки:
u горен
d долен
c чаровен
s странен
t красив
b истински.
Глуони (от англ. glui — лепило).
В България експерименталните изследвания в тази област се провеждат от 60-те години на XX в. от български учени под ръководството на чл.-кор. на БАН Павел Марков в сътрудничество главно с учените от Обединения институт за ядрени изследвания в гр. Дубна, СССР. Теоретичните изследвания в това направление се водят от акад. Хр. Христов, акад. И. Тодоров и др.
Вж. Атомна физика. Квантова механика и Ядрена физика.