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物質はより小さな粒子から構成され、自然界には限られた種類の基本的な最小粒子が存在するという考えは、少なくとも紀元前6世紀以来、自然哲学において存在してきた。こうした考えは19世紀以降、物理学的な信憑性を獲得したが、「素粒子」という概念の意味合いは変化した。特に、現代物理学では素粒子はもはや不滅とはみなされていない。素粒子でさえ崩壊したり、破壊的に衝突したりすることがあり、消滅して（他の）粒子を生成することもある。
ますます小さな粒子が発見され、研究されてきた。それらには、原子から構成される分子が含まれ、原子はさらに原子核や電子といった素粒子から構成されている。さらに多くの種類の素粒子が発見されている。こうした粒子のほとんど（電子を除く）は、最終的にクォークのようなさらに小さな粒子から構成されていることが分かった。素粒子物理学はこれらの最小の粒子を研究し、原子核物理学は原子核とその（直接の）構成要素である陽子と中性子を研究する。
すべての物質が素粒子で構成されているという考えは、紀元前 6 世紀にまで遡ります。[ 1 ]古代インドのジャイナ教徒は、紀元前 9 世紀から 5 世紀にかけて、物質の特定の性質を最初に提唱しました。パールシュヴァナータやマハーヴィーラなどのジャイナ教の指導者によると、アジーヴァ(宇宙の非生命部分) は、パーマヌと呼ばれる数えきれないほどの目に見えない小さな粒子で構成された、明確な形または不明確な形の物質またはプドガラから成ります。パーマヌは空間点を占め、各パーマヌは明確な色、匂い、味、質感を持っています。無限の種類のパーマヌが結合してプドガラを形成します。[ 2 ]原子論の哲学的教義と素粒子の性質は、レウキッポス、デモクリトス、エピクロスなどの古代ギリシャの哲学者によっても研究されました。古代インドの哲学者カナダ、ディグナーガ、ダルマキールティ、イスラム世界の科学者イブン・アル＝ハイサム、イブン・シーナー、ムハンマド・アル＝ガザーリー、そして近世ヨーロッパの物理学者ピエール・ガッサンディ、ロバート・ボイル、アイザック・ニュートンらが光の粒子説を提唱した。光の粒子説は、イブン・アル＝ハイサム、イブン・シーナー、ガッサンディ、ニュートンによっても提唱された。
これらの初期の思想は、実験や経験的観察ではなく、抽象的で哲学的な推論に基づいて構築されたものであり、数ある思想の流れの一つに過ぎなかった。対照的に、ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツのいくつかの思想（モナドロジーを参照）は、現代物理学で知られているほぼすべての事柄と矛盾する。
19世紀、ジョン・ドルトンは化学量論の研究を通して、各化学元素は単一の固有の種類の粒子から構成されていると結論づけた。ドルトンと同時代の人々は、これらが自然界の基本粒子であると信じ、ギリシャ語で「分割できない」[ 3 ]または「切断されていない」を意味するatomosにちなんで、これらを原子と名付けた。しかし、19世紀末近くになると、物理学者たちは、ドルトンの原子は実際には自然界の基本粒子ではなく、さらに小さな粒子の集合体であることを発見した。
1800年代を通して、科学者たちは電気と磁気の多くの現象を探求し、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによる正確な理論へと至った。[ 4 ]この理論は、光を伝えるエーテルの概念に基づいて構築された連続場モデルであった。実験によってそのようなエーテルの存在が証明されず、原子モデルを支持する証拠が増えていく中で、ヘンドリック・アントーン・ローレンツは、マクスウェルのモデルを再現する「イオン」に基づく電磁気理論を開発した。[ 5 ] : 77
電子は、1879年から1897年にかけて、ウィリアム・クルックス、アーサー・シュスター、J・J・トムソンをはじめとする物理学者たちの研究の中で発見されました。その電荷は、1909年にロバート・アンドリュース・ミリカンとハーヴェイ・フレッチャーが行った油滴実験で精密に測定されました。物理学者たちは、負に帯電した電子が、正に帯電した物質（当時はまだ未知）とともに「原子」を構成する要素であると理論づけ、後にそれが確認されました。電子は、発見された最初の素粒子、真に基本的な粒子となったのです。
放射能の研究、そして間もなく明らかになった放射性崩壊現象は、化学元素を自然界の基本的な要素とみなすことに対する新たな反論となった。こうした発見にもかかわらず、「原子」という用語はドルトンの（化学的な）原子に由来し、現在では化学元素の最小粒子を指す言葉として定着しており、決して分割不可能なものではない。
20世紀初頭の物理学者は、電磁力と重力という2つの基本的な力しか知らなかった。そして、重力だけでは原子の構造を説明できなかった。そのため、未知の正電荷を帯びた物質がクーロン力によって電子を引き付けると考えるのは当然のことだった。
1909年、アーネスト・ラザフォードとトーマス・ロイズは、アルファ粒子が2つの電子と結合してヘリウム原子を形成することを実証した。現代の用語で言えば、アルファ粒子は二重にイオン化されたヘリウム（より正確には4）である。原子の構造に関する推測は、ラザフォードが1907年に行った金箔実験によって大きく制限された。この実験では、原子は主に空虚な空間であり、その質量のほぼすべてが小さな原子核に集中していることが示された。
1914 年までに、アーネスト・ラザフォード、ヘンリー・モーズリー、ジェームズ・フランク、グスタフ・ヘルツによる実験により、原子の構造は、質量の小さい電子に囲まれた正電荷の密度の高い原子核であることがほぼ確立されました。[ 6 ]これらの発見は、放射性崩壊やその他の元素の変質、および元素自体の 性質に光を当てました。原子番号は、特定の原子の原子核の（正の）電荷に他ならないことが明らかになりました。電磁相互作用によって支配される化学変化は原子核を変化させません。 これが元素が化学的に不滅である理由です。しかし、原子核が電荷や質量を変化させる場合（粒子を放出または捕獲することによって）、原子は別の元素の原子になることがあります。特殊相対性理論は、質量欠損が反応で生成または消費されるエネルギーとどのように関連しているかを説明しました。原子核の構造や変化を研究する物理学の分野は、現在では原子核物理学と呼ばれている。これは、原子の構造や性質を研究し、原子核に関するほとんどの側面を無視する原子物理学とは対照的である。ボーアモデルなどの黎明期の量子物理学の発展は、原子のほとんどが空洞である体積における電子の配置という観点から化学を理解するに至った。
1918年、ラザフォードは水素原子核が正電荷を持つ粒子であることを確認し、それを陽子と名付けた。当時、フレデリック・ソディによる放射性元素の研究、そしてJJトムソンとFWアストンの実験によって、原子番号は同じでも質量が異なる同位体の存在が決定的に証明されていた。このことから、ラザフォードは水素以外のすべての原子核には電荷を持たない粒子が含まれていると推測し、それを中性子と名付けた。原子核がいくつかのより小さな粒子（現在では核子と呼ばれる）から構成されているという証拠が増え、陽子は静電気的に互いに反発し合う一方で、核子は新たな力（核力）によって互いに引き合うことが明らかになった。そして、 1939年にリーゼ・マイトナーが（オットー・ハーンの実験に基づいて）核分裂を証明し、同年ハンス・ベーテが核融合を証明したことで、この研究は頂点に達した。これらの発見は、ある原子から別の原子を生成する活発な産業を生み出し、鉛を金に変換することさえ可能にした（ただし、おそらく利益にはならないだろう）。そして、これらの発見は核兵器の開発にもつながった。
原子や核の構造をさらに理解するには、粒子の本質に関する知識を深めることが不可欠でした。実験や改良された理論（エルヴィン・シュレーディンガーの「電子波」など）によって、粒子と波の間には根本的な違いがないことが徐々に明らかになりました。例えば、電磁波は光子と呼ばれる粒子を用いて再定式化されました。また、古典物理学で考えられていたように、物理物体は全エネルギー、位置、運動量などのパラメータを時間の連続関数として変化させないことも明らかになりました。原子の電子遷移を例に挙げると分かりやすいでしょう。
もう一つの重要な発見は、同一粒子、あるいはより一般的には量子粒子統計学でした。すべての電子は同一であることが確立されました。異なるパラメータを持つ2つ以上の電子が同時に存在することは可能ですが、それらは別個の区別可能な履歴を保持しません。これは陽子、中性子、そして（いくつかの違いはあるものの）光子にも当てはまります。この発見は、宇宙には最小粒子の種類が限られていることを示唆しました。
スピン統計定理は、時空内のあらゆる粒子はボソン（つまり、その統計はボーズ＝アインシュタイン）かフェルミオン（つまり、その統計はフェルミ＝ディラック）のいずれかであると確立しました。後に、すべての基本ボソンは、光を伝達する光子のように力を伝達することが発見されました。非基本ボソン（すなわち、中間子）の一部も、非基本ボソンではありますが、力を伝達する可能性があります（下記参照）。フェルミオンは「電子や核子のような」粒子であり、一般に物質を構成します。偶数個のフェルミオンで構成される素粒子または原子粒子（陽子、中性子、電子など）はボソンであるため、ボソンは必ずしも力の伝達体ではなく、通常の物質粒子である可能性も十分にあります。
スピンは、ボソンとフェルミオンを区別する量です。実際には、粒子固有の角運動量として現れ、粒子の運動とは無関係ですが、磁気双極子などの他の特性と関連しています。理論的には、対称群のさまざまな表現、すなわち、整数（ ħ単位）スピンを持つボソンのテンソル表現（ベクトルとスカラーを含む）と、半整数スピンを持つフェルミオンのスピノル表現によって説明されます。
素粒子の世界に対する理解が深まるにつれ、物理学者たちは大胆な予測を行うようになった。例えば、 1928年のディラックの陽電子（ディラックの海モデルに基づく）や、1930年のパウリのニュートリノ（ベータ崩壊におけるエネルギー保存則と角運動量保存則に基づく）などが挙げられる。これらは後にいずれも確認された。
これは量子場理論の概念の形成に至った。これらの理論の中で最初の（そして唯一数学的に完全な）量子電磁力学は、周期表や原子スペクトルを含む原子の構造を徹底的に説明することを可能にした。量子力学と量子場理論の概念は原子核物理学にも応用された。例えば、α崩壊は核ポテンシャルを通る量子トンネル効果として説明され、核子のフェルミオン統計は核子のペアリングを説明した。そして湯川秀樹は、核力の説明として、ある種の仮想粒子（現在ではπ中間子として知られている）を提唱した。
原子核モデル（液滴モデルや原子核殻モデルなど）の開発により、核種の特性を予測することが可能になった。既存の核子間相互作用モデルでは、4を超える複雑なものを解析的に計算することはできない。彼は量子力学の原理に基づいているが（原子内の電子殻の完全な計算も今のところ不可能であることに注意すべきである）。
1940年代に最も発展した原子核物理学の分野は、軍事的重要性から核分裂に関する研究であった。核分裂関連問題の主な焦点は、原子核と中性子の相互作用であり、これは核分裂爆弾や原子炉で起こる過程である。この分野は次第に他の素粒子物理学から乖離し、事実上原子力工学へと発展した。最初の合成超ウラン元素も、中性子捕獲とその後のβ崩壊によって、この文脈で得られた。
フェルミウムより重い元素は、この方法では生成できません。原子核あたり100個以上の陽子を持つ核種を作るには、素粒子物理学の手法（詳細は後述）を用いる必要があり、具体的には原子核を加速・衝突させる必要があります。より重い合成元素の生成は、原子核物理学の一分野として21世紀まで続けられましたが、科学的な目的に限られていました。
原子核物理学における3つ目の重要な研究分野は、核融合に関する研究である。これは、熱核兵器（および構想中の平和的な熱核エネルギー）だけでなく、恒星核合成やビッグバン核合成といった天体物理学的研究にも関連している。
1950年代、粒子加速器の開発と宇宙線の研究により、数百MeV程度のエネルギーを持つ陽子（およびその他の原子核）の非弾性散乱実験が実現可能になった。これらの実験によって、寿命の短い共鳴「粒子」がいくつか生成されたが、同時に、異常に長い寿命を持つハイペロンとK中間子も生成された。後者の原因は、弱い相互作用を除くすべての状況で保存される、ストレンジネスと呼ばれる新しい準保存量に見出された。重粒子のストレンジネスとμレプトンは、現在では第二世代の基本粒子として知られるものの最初の2つの兆候であった。
弱い相互作用はすぐに別の謎を明らかにした。1957年、呉健雄はそれがパリティを保存しないことを証明した。言い換えれば、鏡面対称性は基本的な対称法則として否定されたのである。
1950年代から1960年代にかけて、粒子加速器と粒子検出器の改良により、高エネルギー実験で驚くほど多様な粒子が発見された。素粒子という用語は、数十種類の粒子を指すようになり、そのほとんどは不安定であった。ヴォルフガング・パウリは「もしこれを予見していたら、植物学を専攻していただろう」と述べている。これらの粒子群全体は「粒子動物園」というニックネームで呼ばれるようになった。目には見えないものの、より小さな構成要素が、当時知られていた粒子の大部分を占める中間子やバリオンを形成していることが明らかになった。
これらの粒子の散乱と崩壊による相互作用は、新しい基礎量子理論への鍵となった。マレー・ゲルマンとユヴァル・ネーマンは、最も数の多い粒子群である中間子とバリオンを特定の性質に基づいて分類することで、秩序をもたらした。ゲルマンが「八重の道」と呼んだものから始まり、いくつかの異なる「オクテット」と「デキュプレット」へと進み、新しい粒子を予測することができた。最も有名なのはΩ−粒子である。これは1964年にブルックヘブン国立研究所で検出され、ハドロン構成のクォークモデルを生み出した。クォークモデルは当初、強い核力を記述するには不十分であるように見え、 S行列理論などの競合する理論が一時的に台頭したが、1970年代の量子色力学の確立により、一連の基本粒子と交換粒子が確定した（Kragh 1999）。これは、クォークが経験し、グルーオンによって媒介される基本的な強い相互作用を仮定した。これらの粒子はハドロンの構成要素として提案された（ハドロン化を参照）。この理論は、電子と原子核を原子にイオン化エネルギーを伝達することによって分離できる複合原子の状況とは異なり、個々の（自由な）クォークを観測できないため、特異である（色の閉じ込めを参照）。
その後、素粒子という用語の古い広義の意味は廃止され、代わりに亜原子粒子という用語がすべての粒子を網羅するようになり、その下位概念である「ハドロン」はクォークモデルによって直接説明される複合粒子を指すようになった。「素粒子」（または「基本粒子」）という名称は、レプトン、クォーク、それらの反粒子、および基本相互作用の量子（下記参照）のみに限定された。
量子場理論（上記参照）は粒子と相互作用の間に違いがないと仮定しているため、素粒子の分類によって相互作用と場も分類することが可能になった。
現在では、多数の粒子と（非基本）相互作用は、（比較的）少数の基本物質の組み合わせとして説明されており、これらは基本相互作用（基本ボソンに具現化される）、クォーク（反粒子を含む）、レプトン（反粒子を含む）であると考えられている。この理論がいくつかの基本相互作用を区別したことで、どの素粒子がどの相互作用に関与しているかがわかるようになった。具体的には以下のとおりである。
次の段階は、20 世紀初頭の物理学者が「統一場理論」と呼んだ、基本相互作用の数を減らすことでした。最初の成功した現代の統一理論は、アブドゥス・サラム、スティーブン・ワインバーグ、そして後にシェルドン・グラショウによって開発された電弱理論でした。この発展は、1970 年代に強い相互作用も含む標準モデルと呼ばれる理論の完成で頂点に達し、3 つの基本力を網羅しました。CERN で、標準モデルで予見されていたZ ボソンによって媒介される中性の弱い電流の存在が発見された後[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]、物理学者のサラム、グラショウ、ワインバーグは、電弱理論に対して 1979 年のノーベル物理学賞を受賞しました。[ 11 ] 1980年代に弱ゲージボソン（弱い相互作用の量子） が発見され、1990年代にその性質が検証されたことは、素粒子物理学の統合の時代と考えられている。
加速器はさまざまな衝突エネルギーで予想される粒子相互作用を検出することで標準模型のほとんどの側面を確認してきたが、超対称性理論と弦理論は多くの理論家によって有望な前進の道と考えられていたにもかかわらず、一般相対性理論と標準模型を調和させる理論はまだ見つかっていない。しかし、2008年に稼働を開始した大型ハドロン衝突型加速器は、超対称性理論と弦理論を支持する証拠を全く見つけることができず[ 12 ]、今後も見つける可能性は低いようで、「基礎理論の現状は、まったく新しいアイデアが全くない深刻な状況である」[ 13 ]ことを意味する。このような状況は物理学の危機と見なすべきではなく、むしろ、デイビッド・グロスが述べたように、「発見が最終的に乗り越える、許容できる科学的混乱の一種」[ 14 ]と考えるべきである。
重力、すなわち第四の基本相互作用は、まだ素粒子物理学に一貫した形で統合されていない。
2011年時点では、粒子に静止質量を与えると考えられている場の量子であるヒッグス粒子は、標準模型で検証された唯一の粒子でした。2012年7月4日、CERNの大型ハドロン衝突型加速器で働く物理学者たちは、ヒッグス粒子に非常によく似た新しい素粒子を発見したと発表しました。これは、素粒子が質量を持つ理由、ひいては宇宙における多様性と生命の存在を理解するための鍵となる可能性があります。[ 15 ] CERNの事務局長であるロルフ＝ディーター・ホイヤーは、それがまったく新しい質量のある粒子（これまでで最も重い素粒子の1つ）なのか、それとも過去半世紀にわたって物理学を支配してきた理論である標準模型によって予測された捉えどころのない粒子なのかを確実に知るには時期尚早だと述べました。 [ 15 ]この粒子が偽物なのか、単一の粒子なのか、あるいはまだ発見されていない多くの粒子の最初のものなのかは不明です。後者の可能性は、物理学者にとって特に刺激的である。なぜなら、それらは標準模型を超えた、現実の本質に関するより深い新たな考え方への道を示す可能性があるからだ。今のところ、一部の物理学者はそれを「ヒッグス様」粒子と呼んでいる。[ 15 ]カリフォルニア大学サンタバーバラ校のジョー・インカンデラ氏は、「これは最終的に、例えばクォークの発見にまで遡る、過去30～40年間の我々の分野におけるあらゆる新現象の最大の観測の一つになるかもしれない」と述べた。[ 15 ]衝突型加速器の大型検出器を運用するグループは、彼らの信号が偶然のゆらぎの結果である可能性は350万分の1未満、いわゆる「5シグマ」以下であり、これは物理学における発見のゴールドスタンダードであると述べた。シカゴ大学の宇宙論学者で物理センター理事会の議長であるマイケル・ターナー氏は、
これは素粒子物理学にとって大きな転換点で あり、岐路に立たされている。これが頂点となるのか、それとも私たちが提起してきた真に大きな疑問の解決へと導く、数々の発見の始まりとなるのか。
ヒッグス粒子、あるいはそれに非常によく似た粒子が確認されれば、半世紀もの間、その粒子の存在を信じながらも一度も見たことのない物理学者の世代にとって、運命の出会いとなるだろう。さらに、それは、単純で優雅で対称的な法則によって支配される宇宙の壮大な見方を裏付けるものであり、その宇宙で興味深いものはすべて、その対称性の欠陥や破れの結果である。[ 15 ]標準模型によれば、ヒッグス粒子は、空間に浸透し、そうでなければ質量を持たない素粒子に質量を与える目に見えない力場の唯一の目に見える具体的な現れである。物理学者によれば、このヒッグス場、あるいはそれに似たものがなければ、すべての基本的な物質は光速で飛び回り、原子も生命も存在しないだろう。ヒッグス粒子は、抽象物理学では珍しいほどの悪名を得た。[ 15 ]フェルミラボの元所長であるレオン・レーダーマンは、同僚たちの永遠の落胆をよそに、同名の著書の中でそれを「神の粒子」と呼び、後に「忌々しい粒子」と呼びたかったと冗談を言った。[ 15 ]インカンデラ教授も次のように述べている。
このボソンは、私たちが発見した非常に奥深いものです。私たちは、これまでになかったレベルで宇宙の構造に迫っています。私たちはある粒子の物語を完結させたと言えるでしょう。[...] 私たちは今、新たな探求の最前線、まさにフロンティアに立っています。これは物語の最後の部分となるかもしれないし、あるいは全く新しい発見の領域を切り開くことになるかもしれません。
—ジョー・インカンデラ、カリフォルニア大学[ 16 ]
ピーター・ヒッグス博士は、1964年に宇宙の糖蜜、すなわちヒッグス場の概念を考案した、3つの独立したグループに所属する6人の物理学者のうちの1人でした。他の2人は、ロンドンのインペリアル・カレッジのトム・キブル、ロチェスター大学のカール・ハーゲン、ブラウン大学のジェラルド・グラルニック、そしてブリュッセル自由大学のフランソワ・エングレールとロバート・ブラウトでした。[ 15 ]彼らの理論の示唆するところの1つは、このヒッグス場が適切な量のエネルギーで十分に強く衝突すると、独自の量子粒子を生成するということでした。その粒子はもろく、質量に応じて100万分の1秒以内に12通りの異なる方法で崩壊します。残念ながら、この理論は粒子の質量を予測していなかったため、粒子を見つけるのは困難でした。この粒子は、一連の粒子加速器で研究者を逃れました。[ 15 ]
その後も実験が続けられ、2013年3月には、新たに発見された粒子がヒッグス粒子であることが暫定的に確認された。
ヒッグス場のような場は、これまで観測されたことはないものの、宇宙論や弦理論において重要な役割を果たしている。アインシュタイン物理学の奇妙な説明によれば、特定の条件下では、反重力を及ぼすエネルギーが満たされる可能性がある。このような場は、宇宙初期のインフレーションとして知られる巨大な膨張の源であり、現在宇宙の膨張を加速させていると思われるダークエネルギーの秘密である可能性もあると提唱されている。[ 15 ]