高能物質

50年代後，粒子加速器和對撞機等現代大型實驗裝置應運而生，大批粒子不斷被發現。

加速器和對撞機的機理類似，都是利用電磁場來加速帶電粒子。

早期的加速器有高壓倍加器、迴旋加速器、靜電加速器等，後來又相繼發明同步迴旋加速器、高能粒子對撞機、直線加速器、電子感應加速器等。經過了60多年的努力，使人工獲得的高能粒子能量提高了8個數量級，從幾百keV到幾十個TeV。

1930年，美國物理學家勞倫斯發明了迴旋加速器，並因此獲得了諾貝爾獎，但由於相對論效應，粒子的加速會使質量增大，從而只能使粒子獲得幾百keV的能量。同步加速器的發明克服了這一缺點，美國費米實驗室的質子同步加速器軌道半徑為1km，利用超導磁場，可將質子加速到1TeV。同步加速器產生的同步輻射進一步限制了粒子能量的增大，故近年來物理學家們又開始發展直線加速器，因為直線運動的粒子沒有同步輻射。

電子感應加速器是一種利用感生電場來加速電子的新型加速器，同步加速器適合加速重粒子（如質子），但是很難加速電子，感應加速器克服了這一困難。如今感應加速器中產生的γ射線可以做光核反應研究，還可以用於工業無損、探傷和醫療等領域。

先進的高能加速器和對撞機主要用於前沿科學，而低能加速器卻已經廣泛轉為民用，在材料科學、固體物理、分子生物學、地理、考古等學科有重要應用。被加速的粒子可以通過輻照改變材料的性質或者誘發植物基因的突變培育新品種，可以診斷並治療腫瘤，還可以生產大量同位素，用於工、農業生產。當然，加速器只能加速帶電粒子，現如今廣泛應用的中子探傷技術、中子干涉測量技術、中子非彈性散射等所用的中子是由核反應堆中產生的。

20世紀的最後幾十年是對撞機的時代，弱點統一理論預言的中間玻色子也在對撞機中被發現。歐洲質子對撞機對撞能量已達14TeV，並且已經開始建造更大型的對撞機，希望能夠找到與質量起源聯繫密切的希格斯玻色子。對撞機還可以利用兩個重粒子的對撞模擬宇宙大爆炸。

在高能物質物理散射實驗中，僅僅有高能粒子還不夠，還必須有先進的粒子探測器來收集信息。粒子探測器是利用粒子與物質的相互作用原理來產生信號的。帶電粒子在物質中運動的主要能量損失是電離損失，通過測量單位路程的能量損失可以判別粒子的類型。低能光子在物質中運動的主要能量損失是光電效應，其次較弱的因素還有康普敦散射、瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射等，能量大於1MeV的光子能量損失主要原因是產生了正負電子對。高能電子入射到物質中時，由於突然減速，會產生高能軔致輻射，高能光子又會激發正負電子對……如此產生一連串的連鎖反應，可以形成電磁簇射，簇射深度稱為輻射長度，與粒子能量和介質密度有關，高能光子也可以形成簇射。當帶電粒子在介質中的速度大於介質中的光速時，會產生一種類似於聲學中的“衝擊波”一樣的輻射，稱為切連科夫輻射。切連科夫因為發現這種輻射而獲得了諾貝爾獎。

利用這些相互作用原理，針對不同的要求，可以設計出不同類型和功能的粒子探測器。較早的有威爾遜雲室，後來又發明了氣泡室、乳膠室、多絲正比室、漂移室等，最後又發明了切連科夫探測器。超級神岡中微子探測器是專門用來探測宇宙中最難束縛的幽靈：中微子的，探測器用了50500噸水作為切連科夫探測器，探測到的光（切連科夫輻射）輸入計算機。實驗結果證實了中微子振盪的存在，並且揭示了太陽中微子的失蹤之謎。這些探測器配合粒子加速器可以用來探測多種粒子的軌跡、能量、類型等，它們是加速器的眼睛。

粒子物理實驗所得到的粒子散射截面等數據，結合大爆炸宇宙學恰好可以解釋宇宙中元素的組成和相對丰度。137億年前，宇宙誕生並開始膨脹，原始宇宙處於超高温和超高密度的狀態，超高能光子激發出大量的粒子，光子們走不了幾步就會與某個粒子（比如電子）碰撞，光根本透不出來，不得不與其它粒子形成了熱平衡（平衡輻射又叫普朗克輻射）。過了漫長的50萬年，輻射温度降到了幾千度，光子不再與其他粒子碰撞，宇宙終於透明瞭。那麼當年幾千度的光子又怎麼樣了呢？