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物理学の分野に限定して考えても、科学者たちは物質とは何かについて明確な定義を持っていません。素粒子とその相互作用に関する標準模型に要約される、現在知られている素粒子物理学においては、物質粒子と反物質粒子を絶対的な意味で区別することが可能です。これは、電子、陽子、クォークなど電荷を持つ粒子の場合に特に容易ですが、電荷を持たない基本的な素粒子であるニュートリノの場合は、区別がより微妙になります。標準模型では、正味の物質粒子を生成することはできません。より正確には、粒子間の摂動反応において、レプトンやクォークの正味の数を変化させることはできません。この点は、既存のすべての観測結果と一致しています。
しかし、同様のプロセスは不可能とは考えられておらず、標準模型を拡張する他の素粒子モデルでも予想されています。これらは、レプトジェネシスやバリオンジェネシスなど、宇宙における物質の反物質に対する過剰を説明することを目的とした推測理論において必要不可欠です。これらは、陽子崩壊や、いわゆるニュートリノレス二重ベータ崩壊における電子の生成として、実験室で現れる可能性さえあります。後者のケースは、ニュートリノがマヨラナ粒子であり、上記の定義に従って物質と反物質の両方の性質を同時に持つ場合に発生します。[ 1 ]
より広い意味では、物質という言葉は単にフェルミオンを指すために使用できます。この意味では、物質と反物質の粒子（電子と陽電子など）はあらかじめ識別されます。粒子消滅の逆のプロセスは物質生成と呼ばれます。より正確には、ここでは消滅プロセスの時間反転によって得られるプロセスを考えています。このプロセスは対生成としても知られており、軽い粒子（つまり光子）が1つ以上の質量のある粒子に変換されるものとして説明できます。[ 2 ]： 246最も一般的でよく研究されているケースは、2つの光子が電子-陽電子対に変換される場合です。
運動量保存則により、1つの光子から2つのフェルミオン（物質粒子）が生成されることはあり得ません。しかし、これらの法則は、元の光子の運動量を共有できる別の粒子（別のボソン、あるいはフェルミオン）が存在する場合には、物質の生成を可能にします。したがって、2つの光子から物質を生成することは可能です。
エネルギー保存の法則は、フェルミオン対の生成に必要な光子の最小エネルギーを規定する。この閾値エネルギーは、生成されるフェルミオンの全静止エネルギーよりも大きくなければならない。電子-陽電子対を生成するには、静止系における光子の全エネルギーは、少なくとも2 m e c 2 = 2 × 0.511 MeV =1.022 MeV（meは電子1個の質量、cは真空中の光速）は、軟ガンマ線光子に相当するエネルギー値である。陽子と反陽子のような、はるかに質量の大きい対の生成には、1.022 MeVを超えるエネルギーを持つ光子が必要となる。1.88 GeV（硬ガンマ線光子）。
光子-光子衝突におけるe + –e−ペア生成率の最初の発表された計算は、1934年にレフ・ランダウによって行われた。 [ 3 ]超相対論的荷電粒子の衝突では、 e + –e−ペア生成（光子の衝突による）のプロセスが支配的であると予測された。これは、これらの光子が元の粒子の運動方向に沿って狭い円錐状に放射され、光子束が大幅に増加するためである。
高エネルギー粒子衝突型加速器では、物質生成現象によって、衝突する光子ジェットから様々な種類のエキゾチックな重粒子が放出されている（二光子物理学を参照）。現在、二光子物理学では、様々なフェルミオン対の生成を理論的にも実験的にも研究している（粒子加速器、空気シャワー、放射性同位体などを使用）。
標準模型では、クォーク、レプトン、ボソンを含むすべての基本粒子を、ある最小閾値以上の様々なエネルギーの光子を用いて、直接（対生成によって）または中間粒子の崩壊（例えば、Wボソンが崩壊して電子と電子反ニュートリノを形成する）によって生成することが可能です。
上記のように、光子ガスから通常のバリオン物質を生成するには、このガスは非常に高い光子密度を持つだけでなく、非常に高温でなければなりません。つまり、光子のエネルギー（温度）は、与えられた物質粒子ペアの静止質量エネルギーを明らかに超えなければなりません。電子の生成の閾値温度は約 10 10 K、陽子と中性子の場合は 10 13 Kなどです。ビッグバン理論によれば、初期宇宙では、質量のない光子と質量のあるフェルミオンは自由に相互変換していました。光子ガスが膨張して冷えると、低エネルギーの光子ではもはやフェルミオンを分解できなくなったため、一部のフェルミオンが残ります（極めて少量の ~10 −10）。これらの残ったフェルミオンが、今日の宇宙に存在する物質になったと考えられます。