粒子物理学（或高能物理学）是探索微观世界中物质结构最小组成成分和性质及其相互作用规律的前沿科学。同时粒子物理学在探索宇宙的起源和演化也起了重要的作用，因此粒子物理学是研究小到物质最深层次结构，大到宇宙的最前沿科学，是揭示物质、能量、时间、空间本质的最基本科学。它是物理学的一个分支学科，是当代物理学发展的前沿之一。粒子物理学是以实验为基础，而又基于实验和理论密切结合发展的，当今物质结构研究已从早先的原子层次深入到夸克和轻子这一新层次。历史上粒子物理学发展大致经历了三个阶段。

在这个阶段里，两千多年来人们关于物质是由最小构成单元──原子构成的思想，由哲学的推理，变成了科学的现实，而且在这个阶段终了时，形成了现代的基本粒子的思想。

原子的概念，是由2400年前的希腊哲学家德谟克利特和中国战国时代的哲学家惠施提出来的。惠施说:“至小无内，谓之小一。”意思是最小的物质是不可分的，称作最小的单元。这个最小的单元，就是德谟克利特称为原子的东西。但他们都没能说明原子或“最小的单元”具体是什么。19世纪初英国化学家J.道尔顿（John Dalton）提出原子论开创了科学的原子学说。

1897年，J.J.汤姆孙在实验上发现了电子，1911年E.卢瑟福由α粒子大角度弹性散射又证实了带正电的原子核的存在，这样就从实验上证明了原子的存在和原子是由电子和原子核构成的。

1932年，J.查德威克在用α粒子轰击核的实验中发现了中子。随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元──质子、中子和电子构成的统一的世界图像。就在这个时候开始形成了基本粒子概念。

1905年，A.爱因斯坦提出电磁场的基本结构单元是光子，1922年被A.H.康普顿等人的实验所证实，因而光子被认为是一种“基本粒子”。1931年，W.泡利又从理论上假设存在一种没有静止质量的粒子──中微子（严格地讲是反中微子，中微子的存在是1956年由F.莱因斯和C.L.科恩^[注]在实验上证实的）。

相对论性量子力学预言，电子、质子、中子、中微子都有质量和它们相同的反粒子。第一个反粒子──正电子（电子的反粒子）是1932年C.D.安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现的，50年代中期以后陆续发现了其他粒子的反粒子。

随着原子核物理学的发展，发现自然界除了已知的引力相互作用和电磁相互作用之外，还存在两种新的相互作用──强相互作用和弱相互作用。标志四种相互作用的强度的无量纲相互作用（耦合）常数及由它们引起的过程速率（反应率）见表1。

表1 四种相互作用的无量纲耦合常数、反应率和力程的比较

	无量纲耦合常数	反应率（秒-1）	力程（厘米）
引力相互作用		甚小	长程
弱相互作用		≤1010	～10-16
电磁相互作用		1016～1019	长程
强相互作用		1021～1023	≤10-13

注：采用自然单位制，其中是光速，，是普朗克常数。及分别为电子及质子的静止质量、为万有引力常数、为电子电荷、为费密弱作用耦合常数，为汤川强作用耦合常数。

这个阶段的开始以1937年在宇宙线中发现子为标志。

1935年，汤川秀树为解释核子之间的强相互作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换一种具有质量（电子质量的200～300倍）的基本粒子──介子引起的。1936年，C.D.安德森和S.H.尼特迈耶^[注]在实验上确认了一种新粒子，其质量是电子质量的207倍，这就是后来被称为子的粒子。子是不稳定的粒子，衰变成电子、一个中微子和一个反中微子，平均寿命为2×10^-6秒，自旋为。

汤川秀树最初提出的介子的电荷是正的或负的。1938年N.凯默^[注]基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实，发展了稍早些时候出现的同位旋的概念，建立了核力的SU(2)对称性理论。这个理论有两个重要的结果，一是除了带正负电的介子之外，还应当有不带电的中性介子，三种介子的质量应当相同；二是强相互作用的粒子可按同位旋分成一组组的多重态。

1947年，M.孔韦尔西^[注]等用计数器统计方法发现子并没有强相互作用，直接的证明是1948年由张文裕用云室研究子同金属箔直接相互作用得到的。1947年C.F.鲍威尔等在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子，其后在加速器上也证实了这种介子的存在。它们的质量约是电子质量的270倍，带有正电荷或负电荷，被称为介子。1950年发现了不带电的介子。子后来则和电子以及中微子归于一类，被统称作轻子。

从此以后，人类认识到的基本粒子的数目越来越多。就在1947年G.D.罗切斯特^[注]和C.C.巴特勒^[注]在宇宙线实验中发现了V粒子（即介子），这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。由于它们独特的性质，一种新的量子数──奇异数的概念被引进到粒子物理中。在这些奇异粒子中，有质量比质子轻的奇异介子、和；有质量比质子重的各种超子，包括、、、和等。这些新发现的粒子，都是不稳定的粒子，除介子外（它的寿命是10^-16秒），它们的平均寿命都在10^-6～10^-10秒，所以在地球上的通常条件下，它们并不存在，在当时的情况下，只有借助从太空飞来的高能量宇宙线才能产生。

这些发现了的基本粒子，加上理论上预言其存在，但尚未得到实验证实的引力场量子──引力子，按相互作用的性质，可分成引力子、光子、轻子和强子四类，见表2。

表2 基本粒子按相互作用力分类

	引力	电磁力	弱作用力	强作用力	例
引力子*	√	—	—	—
光子	√	√	—	—
轻子	√	√	√	—	、、
强子	√	√	√	√	、、

*尚未在实验中发现

为了克服宇宙线流强太弱这个限制，从20世纪50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。实验上也相继出现了新的强有力的探测手段如大型气泡室、火花室、多丝正比室等，开始了新粒子的大发现时期。到了60年代初，实验上观察到的基本粒子的数目已经增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多，而且发现的势头还有增无减。1961年由M.盖耳-曼及Y.奈曼^[注]提出的，用强相互作用的SU(3)对称性来对众多强子进行分类的“八重法”。八重法分类不但给出了当时已经发现的强子在其中的位置，还准确预言了一些新的粒子，如1964年用气泡室实验发现的粒子。八重法很好地说明粒子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性质的规律性。

在此阶段中，证实了不仅电子，所有的粒子，都有它的反粒子（有的粒子的反粒子就是它自身，如、等）。其中第一个带电的反超子是由中国的王淦昌等在1959年发现的。此外，还发现了为数众多的寿命极短，经强作用衰变的粒子──共振态。

基本粒子大量发现，使人们怀疑这些基本粒子的基本性。基本粒子的概念，面临一个突变。人们逐渐以“粒子物理”代替了“基本粒子物理”。这就是这个阶段终了时粒子物理在实验上的状况。

这个阶段理论上最重要的进展是量子场论和重正化理论的建立，以及相互作用中对称性理论的研究。

上一阶段对微观世界理性认识的最大进展是量子力学的建立。经过一代物理学家的努力，量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及辐射等现象，特别是当它同狭义相对论结合而建立相对论性量子力学以后，它已经成为微观世界在原子、分子层次上的一个基本理论。但量子力学还有以下几个方面的不足：①它不能反映场的粒子性；②它不能描述粒子的产生和湮没的过程；③它有负能量的解，这导致物理概念上的困难。量子场论是由P.A.M.狄拉克、P.约旦^[注]、E.P.维格纳、W.K.海森伯和泡利等在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化的途径发展出来的，它很好地解决了这三个问题。

在量子场论领域中最早发展起来的是量子电动力学，它是把电磁场（光子场）和电子场都加以量子化，从而描述电子和光子的各种现象的一种理论。20世纪40年代里，对这个理论中的发散困难做了深入的分析。由于J.S.施温格、朝永振一郎、R.P.费因曼和F.J.戴森^[注]等人的努力，在解决这个问题上有了突破性的进展。他们发现，如果重新定义理论中的质量和电荷，使之同实验的观测值相应，则量子电动力学中的无穷大结果不再出现。这种消除无穷大结果的方法，叫作重正化理论。它不但在原则上解决了量子电动力学中出现的发散困难，还提出了一整套按电子电荷的幂次展开的、直观的、用图形表示的逐级近似（微扰近似）的计算方法──费因曼图方法，使量子电动力学的计算有了简单可靠的、具有相对论协变性质的基础。P.库什和H.M.福里^[注]1947年发现的电子反常磁矩，和由W.E.兰姆等发现的氢原子的2²S_1/2和2²P_1/2能级的分裂，只有通过量子电动力学的重正化理论才能得到正确的解释（见μ子回磁比、电子回磁比和兰姆移位）。现今，量子电动力学已经经受了许多实验上的验证，成为电磁相互作用的基本理论。

20世纪50年代初证明了重正化的方法，也适用于强相互作用的汤川理论。但这无助于使汤川理论成为强相互作用的基本理论，因为按强作用耦合常数的幂次展开级数是不收敛的，对于弱相互作用理论则更困难。1934年由E.费米提出的弱作用理论中，虽然耦合常数小，可以做微扰展开，而且在最低阶的计算得到很好的结果，但在高阶修正时出现的无穷大结果不能用重新定义质量和耦合常数的方法来消除，所以它是不可重正化的理论。

1954年，盖耳-曼、M.L.戈德伯格^[注]和W.梯令^[注]提出强相互作用的色散关系理论。在50年代直到60年代初它有很大的发展，在强相互作用过程的现象分析方面，也曾得到一些好的结果，但经过十多年的研究，终于肯定色散关系不可能是强作用的基本理论，主要原因是它只包含对散射振幅的普遍性质，而缺乏强相互作用独有的特殊性的东西。因而它只能是一种唯象分析手段。

沿着这个方向发展的还有雷其极点理论等。它们在缺乏严格证明的情况下被推广于强相互作用的散射理论。所得到的最重要的结果是：①基本粒子的自旋和质量有明显的规律性；②随着入射能量增加，二体散射截面在小角度处的变化具有特定的模式。由于这些理论的出发点和缺点与色散关系大致相同，故它们的成就和存在的问题就同色散关系大致相仿。

同时理论上另一重大的进展是相互作用中的对称性的研究（见对称性）。如果量子场系统在一种对称变换下保持不变，则将对应着一种守恒量，如在时空平移下不变，对应的守恒量就是能量和动量。在20世纪50年代初期，普遍认为在各种相互作用中，都有着空间反射变换P、电荷共轭变换C和时间反演变换T的不变性，与此相对应，宇称和C宇称应该是守恒的。不过，这种观点除了1955年由泡利在很一般的前提下，从理论上证明了CPT联合变换下量子场论的不变性以外，其他是没有从实验上或理论上被严格证明过的。

1955年，经过周密地对奇异粒子介子和介子的实验分析发现了-之谜。1956年李政道和杨振宁了解到，在弱相互作用中宇称守恒事实上并没有得到过实验上的证实。他们提出，在弱相互作用中宇称是不守恒的，也不存在-之谜。1957年吴健雄小组在极化原子核⁶⁰Co的β衰变的实验中证实了宇称不守恒。随后不久，宇称不守恒在其他的弱相互作用过程的实验中也得到了证实。这些实验同时也证实了在弱相互作用中C宇称的不守恒。

1964年，J.W.克洛宁^[注]等在长寿命介子的衰变实验中，发现有2π终态的衰变，从而实验又证实了不但单独的空间反射P和单独的电荷共轭变换C的不变性在弱相互作用中受到破坏，而且它们的联合变换CP的不变性也遭到破坏。随后认识到，这个实验事实上也证实了在弱相互作用中时间反演变换的不变性的破坏。

在弱相互作用中，与宇称不守恒的程度很大相反，CP不守恒的程度是极为微弱的，其根本原因至今尚没有足够的了解。

发现大量新粒子，从而使基本粒子的基本性受到猛烈的冲击；确立了各种对称性在弱作用中的破坏和成功提出了强子分类的SU(3)对称性；确定了量子电动力学作为微观领域中电磁相互作用的基本理论，但强相互作用和弱相互作用尚缺乏基本的理论。

这个阶段的开始以提出强子由夸克组成的模型为标志（见强子结构）。

并非所有的基本粒子都是“基本”的想法，最早是在1949年由费米和杨振宁提出的。他们认为介子不是基本的，基本的是核子，而介子只是由核子和反核子构成的结合态。1955年坂田昌一扩充了费米和杨振宁模型提出了强子是由核子、超子和它们的反粒子构成的SU(3)模型。坂田的模型可以解释介子的分类，但解释重子的分类有着很大的困难。

1961年，在实验上发现了不少共振态。1964年已发现的基本粒子（包括共振态）的种类增加到上百种，因而使得盖耳-曼和G.兹韦克^[注]提出，产生SU(3)对称性的基础就是构成所有强子的构造单元，它们一共有三种（见表3），并命名为夸克（quark）。

表3 夸克的性质

夸克	电荷（）*	同位旋分量	奇异数	重子数
	2/3	1/2	0	1/3
	-1/3	-1/2	0	1/3
	-1/3	0	-1	1/3
*是电子电荷的绝对值

60年代以来，在宇宙线中、加速器上以及在岩石中，都进行了对自由夸克的实验找寻，但迄今的实验没有找到自由夸克，迄今理论上认为夸克不能以自由的状态出现，这种性质叫作夸克禁闭，有待量子色动力学理论进一步证明。

在20世纪60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。虽然在这些加速器上没有找到自由夸克，但却得到了间接地更有力地表明夸克存在的证据。

强子具有内部结构的迹象，最早是在60年代由电子在核子上的散射显示出来的。1967年开始用高能量的电子作为探针来研究质子的内部结构，发现质子内部有着几乎是自由的点状的结构。类似的实验后来也在中子上进行，得到了相同的结论。后来又用高能量的中微子作为探针来研究质子和中子结构。根据对散射截面的分析，也可以得到核子里存在近似自由的、质量不大的点状物的结论（见深度非弹性散射）。

这些点状结构，可以认为是夸克存在的证据。它们的电荷可以由正负电子湮没为强子的总截面加以验证。由正负电子湮没为强子的过程，同正负电子湮没成一对子的过程相仿，从理论上知道，在高能下这两个过程的总截面（⟶强子）和（⟶）的比值和夸克的电荷有关：，标志夸克的类型。70年代初的实验值和理论上的夸克电荷值基本上能满足这个关系式，从而给予了夸克模型以很大的支持。

最初在盖耳-曼等提出的假设中，夸克只有、、三种，由此可以得到当时及其后发现的所有粒子的一个令人满意的分类。1974年丁肇中及B.里克特等分别在质子加速器和正负电子对撞机的实验中发现了一种新粒子，它的质量很大，而寿命却比大部分共振态小一万倍，这必须解释为它是由一个新的较重的夸克和它的反粒子所构成。这种新的夸克又称粲夸克，具有一种新的量子数——粲数，它的电荷是。这第四种夸克及粲数的存在，不久便因一系列的新粒子、、、、等的发现而得到进一步的证实。同时在更高能量的实验中，上面提到的值也增加了，这也说明在足够高的能量下第四种夸克开始对做出贡献。

1977年，L.M.莱德曼等发现了另外一个独特的新粒子，它的性质也只能以它是由另一种新的夸克及其反粒子所构成来解释。这第五种夸克的存在，接着由新粒子、等的发现而得到更多的证据。称第五种夸克为底夸克，它的电荷是，带有一种新的量子数──底数。在目前能够达到的最高能量的实验中，值的进一步增加，说明夸克也开始对值做出贡献。

1995年，美国费米实验室发现了第六种夸克，顶夸克。它的质量很重，约为174吉电子伏，它的电荷为。顶夸克的寿命很短，来不及与反夸克构成强子就衰变为比它轻的夸克。

与强子的数目急剧增加的情况不同，自从1962年利用大型火花室，在实验上证实了两类中微子分成和之后，长时间内已知的轻子就只有四种：（，）和（，）。但到了1975年情况有了改变，这一年M.L.佩尔等在对撞实验中发现了一个新的轻子，它带正电或带负电，衰变成子或电子和两个中微子，它的质量很大，达质子的两倍，所以又叫重轻子。与它相应，2000年实验上发现了另一种相应的中微子存在。

表4 轻子与夸克的对称性

轻子				夸克
电荷（）：				电荷（）：
*电荷以电子电荷的绝对值为单位

至今尚未发现轻子有内部结构的实验证据。子在各个方面都同电子相同，相差只在于质量，这是一个一直使物理学家困惑的问题──所谓代的问题。的发现使轻子增加到三代：（，）、（，）、（，）。构成不同代的轻子的原因是粒子物理研究的前沿课题之一。一种尝试是把轻子和夸克放在同一层次上考虑（见表5夸克与轻子的性质），并认为它们可能是复合粒子，是由更深一层次的粒子统一构成的。也许由于实验上的证据不足，这种考虑尚缺乏可靠的基础。从表5可以见到夸克有6种不同“味”，、、三种质量较轻，称为轻味夸克；、、三种质量较重，称为重味夸克。

表5 夸克与轻子的性质

夸 克	质量	电荷	奇异数	粲数	底数	顶数	轻子	质量	电荷	电子数	μ子数	τ子数
	4.5-5.3 MeV	-1/3	0	0	0	0		0.5 MeV	-1	1	0	0
	1.8-3.0 MeV	2/3	0	0	0	0		＜2 eV	0	1	0	0
	90-100 MeV	-1/3	-1	0	0	0		105 MeV	-1	0	1	0
	1.25-1.3 GeV	2/3	0	1	0	0		＜0.17 MeV	0	0	1	0
	4.15-4.21 GeV	-1/3	0	0	1	0		1.78 GeV	-1	0	0	1
	173 GeV	2/3	0	0	0	1		＜15.5 MeV	0	0	0	1

夸克理论提出不久，就认识到强子的强相互作用和弱相互作用的研究应建立在夸克的基础上，同时还要充分考虑强子的结构特性和各种过程中的运动学特点，才能正确解释强子的寿命、宽度、形状因子、截面等动态性质。1965年北京基本粒子理论组发展的强子结构的层子模型，就是这个方向的首批研究成果之一。层子的命名，是为了强调物质结构的无限层次而做出的。层子模型中将夸克作为层子的一种方案构造强子结构模型（见层子模型）。

最早的弱相互作用理论，是费米为了解释中子β衰变现象在1934年提出来的。弱作用宇称不守恒的发现，给弱作用理论的研究带来很大的动力。随后不久便确立了描述弱作用的流在洛伦兹变换下应当具有-的形式（为矢量流；为轴矢量流），而且适用于所有的弱作用过程，被称为普适费米型弱相互作用理论。

尽管在最低阶的微扰论计算中，普适费米型弱相互作用理论可以给出同实验相符合的结果，但高阶的计算中出现的无穷大，却无法用重正化的方法消除，这是费米弱作用理论的根本困难。

1961年，S.L.格拉肖提出电磁相互作用和弱相互作用的统一理论。这个理论的基础，是杨振宁和R.L.米尔斯^[注]在1954年提出的非阿贝尔规范场论。格拉肖提出，电磁相互作用和弱相互作用，具有一种特殊的对称性──SU(2)×U(1)对称性。其中U(1)对称性是电磁相互作用所具有的，它的阿贝尔规范场粒子——光子是传递电磁作用的粒子，这是已为人们了解的；而SU(2)对称性则是格拉肖提出的，弱相互作用应具有的对称性，按照杨振宁和米尔斯的理论，它的非阿贝尔规范场粒子有三种：、和，格拉肖认为它们是传递弱作用的粒子。在这个理论中，两种相互作用是统一的，两种耦合常数有着确定的关系。但在这个理论里，和粒子是否具有静止质量、理论上如何重正化等问题，没有得到解答。

1967～1968年，在SU(2)×U(1)定域对称性的自发破缺的基础上，S.温伯格、A.萨拉姆阐明了作为规范场粒子的、是可以有静止质量的，还算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在，而当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。由于当时没有实验的支持，所以这个模型并未引起人们立即重视。1973年美国费米实验室和欧洲核子中心在实验上相继发现了弱中性流，此模型的预言得到实验的证实，1979年格拉肖、温伯格、萨拉姆获得诺贝尔物理学奖。1983年C.鲁比亚实验组等在540吉电子伏的高能质子—反质子对撞的实验中发现的和规范粒子，质量（吉电子伏，吉电子伏）及特性同理论上期待的完全相符，这给予电弱统一理论以极大的支持，此后理论经历了一系列的实验精密检验，使它成为电、弱相互作用统一的基本理论。在弱、电统一模型成功的同时，预言了一种中性标量粒子（称为希格斯粒子）的存在，但理论并不能预言这种希格斯粒子的质量大小。长期以来大量实验支持电弱统一理论中的SU(2)×U(1)规范作用部分，但一直未找到希格斯粒子，2011年以前实验确定希格斯粒子的质量下限是115吉电子伏。这就成为粒子物理中的一个令人不解的谜——希格斯粒子（上帝粒子）在哪里。欧洲核子研究中心（CERN）运行的大型强子对撞机LHC上两个实验组（CMS和ATLAS）在2012年7月以及2013年确认发现了神秘的希格斯粒子，其质量为125吉电子伏。不言而喻，希格斯粒子的发现完善了标准模型，并在一定程度上回答了标准模型中对称性破缺本质的难题。

20世纪60年代初，SU(3)对称性在强子分类上取得了成功，在此基础上产生了强相互作用的流代数理论。这个理论把强作用的对称性和色散关系理论所沿用的解析性讨论结合起来，给出了量子场论中出现的强子流算符所满足的代数关系，并由此得到了一些耦合常数之间、各种过程之间的关系及反常磁矩等物理量，虽然这些结果与实验符合，但流代数并没有给强作用的研究带来突破性的进展。

到了20世纪60年代末70年代初，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）在电子打质子的深度非弹性散射实验中，J.I.弗里德曼、H.W.肯德尔和R.E.泰勒发现了标度无关性规律。J.D.布约肯^[注]首先认识到标度无关性规律意味着大动量迁移下电子是与质子内许多无相互作用的自由点粒子相互作用。费因曼称质子内的这些点粒子为部分子。高能散射实验显示出强子的两个最显著的特征：①强子内部点状结构的存在；②这些点状结构在很小的尺度中相互作用很微弱，有如自由粒子（渐近自由现象）。夸克之间很强的相互作用在大动量迁移下变弱，具有渐近自由的特点。

1972年，为了解释夸克模型统计性质问题引入了“色”自由度，即假定每种夸克除了味（、、以及后来发现的粲夸克、底夸克和顶夸克）不同外还具有三种不同颜色，由此就可以做到在夸克模型里强子遵从相应的费米和玻色统计。1973年由于非阿贝尔定域规范场理论的进展，D.J.格罗斯和F.威尔切克，以及H.D.波利策等提议了SU(3)色规范群下非阿贝尔规范场论可以作为强相互作用的量子场论——量子色动力学（简称QCD）理论。与量子电动力学一样，量子色动力学也是一种定域规范理论（表6给出了量子电动力学和量子色动力学的比较）。在这个理论中，严格的对称性是色SU(3)对称性，夸克之间的强相互作用则是由于交换带色荷胶子而产生的，它们无质量。正是带色荷胶子之间有相互作用，从而产生反屏蔽效应，决定了强相互作用的渐近自由性质。这一性质对认识自然界中强相互作用的本质极为重要。1979年发现三喷注的实验结果证实了强子内部存在胶子。量子色动力学理论中除了夸克和胶子与量子电动力学中电子和光子类似的相互作用以外，胶子之间还存在三胶子和四胶子相互作用顶点。这些顶点决定相互作用耦合强度随着能量的增加而减小以及与紧密相关的函数为负值。最终导致强相互作用的有效耦合常数当能量趋于无穷大时趋于零，定量表达了强相互作用渐近自由的性质。人们形象地将反映这一特点的耦合常数称为跑动耦合常数。跑动耦合常数随能量增大而对数减小这一规律已得到一系列物理过程的实验结果证实。量子色动力学渐近自由理论成功得到了40多年实验检验，它能较好地解释一系列高能实验结果，包括值随能量的变化，轻子-质子深度非弹性散射的结构函数对标度无关性的偏离，高能下的喷注现象等。量子色动力学在强相互作用过程中取得的成就足以证明它为强作用的基本理论，并正走向精密验证和发展的阶段。

量子色动力学理论的基本成分是夸克和胶子，它们被紧紧束缚在强子内部，不能被击出呈自由的状态，只可能间接由强子实验观测到它们的存在。渐近自由和夸克禁闭是量子色动力学理论的两个重要特点。渐近自由性质在高动量迁移下的物理过程中得到实验检验。对于低动量迁移的物理现象和强子结构，则面临夸克禁闭困难，因而很难精确计算低动量迁移下物理过程的强子矩阵元。跑动耦合常数在能量变小时逐渐增大以至于达到无穷大，由此可以定性理解为什么夸克在强子内部而不能以自由状态分离出来。因为当两个夸克之间的距离增大时，夸克之间交换胶子的能量变小，跑动耦合常数变大，以至于耦合强度变为无穷大，这意味着夸克之间的相互作用随着分开的距离增加而增加，使得夸克和胶子永远束缚在强子内部，人们形象称此物理现象为“夸克禁闭”。这正像橡皮筋一样，拉的愈长弹回的强度愈大，永远束缚在一起。

由渐近自由性质决定的微扰量子色动力学理论是建立在微扰真空的基础上，而量子色动力学物理真空完全不同于微扰真空。真空性质的复杂性及其物理后果都充分表明了真空不空，它对物理学发展产生了深刻的影响。南部阳一郎的对称性自发破缺理论就是基于对真空物质性的认识提出的。物质与真空中的夸克、反夸克对和胶子不断发生相互作用构造出新的强子结构图像。因此揭示物理真空的本质必将导致夸克禁闭疑难的解决。只有完全掌握了渐近自由和夸克禁闭这两个特点，才能精确计算涉及强相互作用的物理过程和强子谱，因而得到从高能到低能所有能区的实验检验，才能说对强相互作用有了深刻的理解。

20世纪70年代到世纪末，大量的高能物理实验证实了粒子物理中标准模型理论（弱、电统一理论与描述夸克之间强相互作用的量子色动力学理论合在一起，统称为粒子物理的标准模型理论），标准模型理论是近半个世纪以来探索物质结构研究的结晶，是20世纪探索微观世界规律的极重要的成就。

标准模型理论的基本成分是夸克和轻子，传递相互作用的媒介子(光子、中间玻色子和八种胶子)，以及新发现的希格斯粒子，共有61种基本成分（表5中六种夸克和它们的反夸克，每一夸克有三种不用颜色，共有36种不同夸克，六种轻子和反轻子共有12种，媒介子有12种）。这一理论已经受到了实验检验并正在继续发展。在标准模型中，不仅中间玻色子的质量是通过对称性破缺获得的，而且夸克和轻子的质量也是通过引入希格斯场汤川型耦合给出的。但轻子和夸克的质量谱从电子伏特（eV）一直到173吉电子伏（1GeV=10⁹eV），可以相差11个数量级，即使同一层次的夸克也从几兆电子伏到173吉电子伏，相差上万倍，其质量的起源困扰着高能物理学家们。这样宽广的质量谱很可能反映了有更深层次的物质结构。中微子质量不为零且很小，它们的质量起源以及可能存在的CP破坏已成为粒子物理学家和天体物理学家们关注的热点问题。中微子具有不为零的质量本身就是超出于标准模型理论。

标准模型并不是基本理论，而是更深层次（新能标）动力学规律下的有效理论。

弱电统一理论表明，弱相互作用和电磁相互作用在能量远高于中间玻色子质量时，它们是统一的，在低能时弱电对称性自发破缺表现出两种不同的相互作用。人们很自然地要问，当能量更高时，弱电统一的相互作用与强相互作用是否会形成更大的统一理论。超对称大统一理论就是一种尝试（见大统一理论），对称性破缺构成低能现实世界的不同类型的相互作用规律。从粒子物理发展可以看到，对称性破缺的本质可能来自于真空的不对称性产生真空对称性自发破缺机制；夸克禁闭可能是量子色动力学物理真空造成的。因此关键在于揭示真空的物质本质，两者都很可能从真空中得到破解。

几十年的实验结果一再表明粒子物理学中标准模型的成功，同时，粒子物理面临着对称性破缺的本质和夸克禁闭科学难题以及发现超出于标准模型的新物理的挑战。寻找解决难题的途径和迎接新物理的挑战将是粒子物理学家在进入21世纪以后面临的艰巨任务，这很可能导致物理学中新的动力学规律的诞生并影响21世纪科学技术的发展。当前，粒子物理学正向三个方向发展：一是向超高能量发展，例如西欧中心的LHC和正在策划的超高能的直线对撞机（ILC），环形正负电子对撞机CEPC，μ子对撞机以及VLHC等；二是向高精度发展，例如即将运行的日本的超级B介子工厂和正在策划的超级τ－粲工厂等；三是向宇宙学方向发展，从天文观测和宇宙演化中发展粒子物理新观念和新理论。近年来天文观测中给出宇宙中物质成分：普通重子物质只占4%，而23%是非重子的暗物质，73%是暗能量。暗物质和暗能量本质是超出目前标准模型的新物理，也是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。科学家们正在发展非加速器物理实验（空间卫星和地下实验室）并与天文观测相结合探讨自然界奥秘。这三大方向的发展相辅相成，都将对物质、能量、时间和空间的新理论创立起决定作用。它们的目标在于深入研究现今这一层次的夸克、轻子以及相互作用的运动规律进而可能揭示下一新层次的物理性质和规律。

可喜的是物理学发展使得粒子物理学、天文学和宇宙学交叉发展联手解决面临的难题，科学家们认识到粒子物理实验研究需要开展最广泛的国际合作，未来实验和天文观测发现的新物理现象和理论突破密切结合，必将揭示超出标准模型的新的物理规律。