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현대물리학의 가장 중요한 분야 가운데 하나로, 기본적인 원자구성입자, 즉 소립자에 대한 연구이다. 고에너지 물리학이라고도 부르며 1930년대 핵물리학과 우주선물리학의 실험·연구의 발전과 함께 시작되었다. 초기에는 우주로부터 지구에 떨어져 대기와 상호작용하는 고에너지 복사를 연구했으나 제2차 세계대전 이후에는 고에너지 입자를 제공하는 입자가속기를 사용하기 시작했다.

양자장론은 고에너지 물리학의 분석에 필수적이다. 최근 수십 년 간의 일관된 관점은 물질이 경입자, 쿼크, 장의 양자(量子) 등 3가지의 소립자로 구성된다는 점이다. 소립자는 전하, 스핀, 질량, 자기, 그외에 복잡한 특성들을 가지고 있어서 아주 작은 당구공과 같은 고전적 물체와는 다르지만 그럼에도 불구하고 점과 같은 것으로 간주된다. 각 경입자나 쿼크는 그 성질이 반대인 반입자(反粒子)와 쌍을 이루며 존재한다. 쿼크가 전자기뿐만 아니라 강한 상호작용과 약한 상호작용을 하는 반면 경입자는 전자기 상호작용과 약한 상호작용에만 관여한다.

일상적 물질들은 전자와 핵으로 구성되고 핵은 다시 중성자와 양성자로 구성된다. 핵자(양성자와 중성자)는 다시 3개의 쿼크로 구성되었다고 짐작되는데 쿼크의 전하는 양일 때 전자전하의 2/3, 음일 때 －1/3이고 반쿼크의 전하는 쿼크의 전하와 부호만 반대이다. 핵결합에 관계되는 중간자는 1개의 쿼크와 1개의 반쿼크로 구성된다.

일상적 물질을 이루는 소립자들과 그것들에 대한 반입자들을 제1세대 소립자라고 하며 그 이상의 세대들이 존재할 수 있다고 본다. 이미 제3세대의 톱(top) 쿼크를 제외한 제2·3세대 소립자들의 존재가 입증되었다. 쿼크와 경입자들의 상호작용을 매개하는 양자장은 양자라 부르는 입자로 구성된다. 전자기장의 양자는 빛을 구성하는 광자이다. 전자기 상호작용과 약한 상호작용의 통일이론인 전기약력이론은 약한 상호작용이 광자보다 100배 정도 무거운 입자를 매개로 한다고 밝힌다. 이것들은 하전입자들인 W^＋, W^－, 그리고 중성인 W⁰로 모두 실험적으로 관찰되었다.

강한 상호작용이론, 즉 양자색역학에서는 글루온(gluon)이라 부르는 8가지의 양자들이 쿼크나 반쿼크들을 결합하게 하며 이때 작용하는 힘을 색력(color force)이라 한다. 쿼크는 빨강·파랑·녹색 등 3종류의 색깔을 띠며, 쿼크들의 결합체는 혼합색이 흰색일 때만 자연에서 관찰될 수 있다는 것이 양자색역학의 추측이다. 양자색역학의 많은 예측들이 실험으로 확인되었다.