Die Teilchenphysik beschäftigt sich mit fundamentalen Teilchen und den Kräften, die sie leiten. Da viele der fundamentalen Teilchen nur bei relativistischen Kollisionen in Teilchenbeschleunigern, umgangssprachlich „Atomzertrümmerer“ genannt, auftauchen, wird die Teilchenphysik auch als „Hochenergiephysik“ bezeichnet. Seit 1929 schlagen Physiker Teilchen mit extremen Geschwindigkeiten zusammen.
Das beste Bild der Teilchenphysik, das wir heute haben, ist das Standardmodell, das in den 1970er Jahren sorgfältig entwickelt wurde. Es war eine Reaktion auf den „Teilchenzoo“, eine riesige Verbreitung ungewöhnlicher fundamentaler Teilchen, die in den 1950er und 1960er Jahren bei Experimenten der Hochenergiephysik entdeckt wurden. Die endgültige Teilchenzahl lag bei etwa 31, darunter 24 Fermionen (Quarks, Elektronen, Neutrinos und ihre Antiteilchen), 6 Bosonen (von denen eines, das Graviton, noch beobachtet werden muss) und ein schwer fassbares Teilchen, das für die Masseneigenschaft selbst, die ebenfalls noch zu beobachten ist, das Higgs-Boson. Grundsätzlich bilden die Fermionen Materie und die Bosonen vermitteln Wechselwirkungen zwischen Materie. Das Licht, das von Ihrem Computerbildschirm kommt, besteht aus Photonen, die Bosonen sind. Sie interagieren mit den Fermionen, aus denen Ihr Augapfel besteht.
Die meiste Materie um uns herum besteht nur aus wenigen fundamentalen Teilchen: Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen. Außerdem strömen jede Sekunde 50 Billionen massearme Neutrinos durch unseren Körper und durchqueren die gesamte Erde, fast als wäre sie nicht einmal da. Neutrinos, deren Name „kleines neutrales Teilchen“ bedeutet, sind so schwer fassbar, dass bis 1998 nicht einmal bekannt war, dass sie eine Masse haben. Einer der neuesten Bereiche der Astronomie ist die Neutrinoastronomie, bei der Neutrinoflüsse von der Sonne und Supernovae werden mit riesigen Detektoren beobachtet.
Obwohl nur wenige Teilchen im Teilchenzoo die uns bekannte Materie ausmachen, gibt uns die Teilchenphysik einen guten Einblick in die Struktur der Realität, indem sie uns die weniger verbreiteten Varianten zeigt und wie sie sich zu einer einheitlichen Familie zusammenfügen. Man kann sagen, dass die Teilchenphysik für die Existenz von Atomkraft, Nuklearmedizin und Atombomben verantwortlich ist. Die Teilchenphysik gilt als einer der angesehensten Bereiche der Wissenschaft, weil sie Erkenntnisse liefert, die für andere Bereiche nützlich sind, ähnlich wie in der Mathematik.