从20世纪30年代开始，科学家们不断发现新的粒子。首先，通过研究宇宙射线，他们观察到有新的粒子的出现。后来，科学家构建了不同能量的加速器，在对撞实验中又观察到许多新的粒子的产生。第一个粒子加速器于30年代后期在剑桥大学建成，称为“考克饶夫-沃尔顿加速器”（Cockcroft-Walton accelerator）。他们通过产生高势能的电压差来加速带电的粒子，然后让它们进行对撞，以研究其对撞后出现的新的粒子。40年代，在美国的伯克利建立了第一个回旋加速器（cyclotron）。50年代以后，各式各样更多更大的加速器建立起来了，包括直线加速的范德格拉夫（van der Graaff）加速器。60年代芝加哥费米实验室（Fermilab）和纽约布鲁克黑文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）都各自建立了新的同步加速器（synchrotron）。在这种设计里，粒子在一个真空的环形的管道里运动，利用以波状前进的电场对带电粒子进行加速，同时利用磁场来控制粒子运动的方向。这样的设计可以达到比以前的设计更高的能量。到了70年代，美国建造了斯坦福SLAC加速器（见图4.4）。后来，位于欧洲日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）又建造了超级质子同步加速器。这些加速器帮助科学家们发现了数以百计的新粒子。

图4.4　20世纪不同年代建成的粒子加速器

今天，世界上能量最大的加速器就是位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）（见图4.5）。这个加速器非常巨大，它建在一个圆周为27公里的圆形隧道内，位于地下50～175米，能量可以达到6.5 TeV。隧道本身直径3米，位于同一平面上。虽然隧道本身位于地下，许多设施如冷却压缩机、控制电机设备等都建于地面。LHC从2008年9月10日开始试运转。大型强子对撞机是一个国际合作计划，由全球85国家的多个大学与研究机构合作兴建，经费大部分由欧洲核子研究组织会员国提供。

这些在加速器里新发现的粒子，质量不一。由于很多新的粒子都是从对撞机里发现的，科学家不再使用多少克这样的单位来形容粒子的质量，而是改用粒子的能量［以“电子伏特（eV）”作为单位］来进行描述。根据是质能互换的公式E=mc2。一个电子伏特的能量是很小的（1 eV/c2=1.783×10-33 g）。如果用eV的单位显示，一个电子的质量约相当于0.5 MeV（百万电子伏特，106 eV）。绝大部分的粒子的质量都比电子高。表4.1是一些在20世纪50年代已知的粒子，其质量用“百万电子伏特”来表示。

图4.5　欧洲核子研究中心的大型强子对撞机

大型强子对撞机（LHC）位于瑞士和法国边境的日内瓦（左图）。它的周长有27公里。加速器的粒子运动管道埋在地下（右下图）。为了精确地探测粒子对撞后的产物，它建有几个巨型的探测器。右上图就是其中一个探测器（ATLAS）。这个探测器是非常复杂和巨大的。图中红色箭头标示了一个站在探测器里的人，由此读者可以知道这个探测器有多大。(www.daowen.com)

从表4.1，我们就可以很容易地发现，宇宙里的粒子并不单只是组成原子的“亚原子粒子”，还有很多新的“基本粒子”。有的粒子的质量比质子和中子轻，例如K介子（Kaon）和π介子。有的比质子和中子重得多，例如Λ粒子（Lambda baryon），Σ粒子（Sigma baryon）和Ξ粒子（Xi baryon）。表4.1所示的每一种“粒子”，其实也同时包含着它的反粒子。而且，有些粒子还往往以一种家族的形式出现，里面包含了多个成员。例如，K介子家族有四个成员（K+，K0，，）；Λ粒子的家族中有4个成员（Λ0，，，）；Σ粒子和Ξ粒子的家族则各自有10多个成员。加上这些粒子的反粒子，其数量就更庞大了。不过，大部分这些粒子都是不稳定的，他们的平均寿命远远小于1秒钟（见表4.1）。能够稳定存在的粒子主要还是质子与电子。质子的平均寿命估计长过1029年。中子在原子核里是长期稳定的。但是当中子从原子核里释放出来时，单独的中子的平均寿命不到15分钟。

表4.1　20世纪50年代已知的亚原子粒子及当时已发现的一些新粒子

20世纪50年代，加速器的能量只到GeV（10亿电子伏特，109 eV）的级别。后来加速器越做越大，到了现在，有些对撞机的能量已经可以达到100 TeV（1 TeV=1012 eV ）的数量级了。由于这些对撞机的能量大大地增加了，后来发现的粒子就越来越多。

那么问题就来了：难道这么多新发现的粒子都是基本粒子（elementary particle）吗？按理来说，自然界不可能有那么多的“基本”粒子。这把当时的粒子物理学家都搞糊涂了。因此，当时有人把这个情况称为“粒子动物园”。也就是说，这些所谓“粒子”，在自然界里的数量非常多。我们的搜捕能力越强，就可以把更多的新品种加入这个“粒子动物园”里。不过这些新粒子的发现，并不能够帮助物理学家更好地了解自然规律，而只是增加了他们的困惑。因此，著名物理学家兰姆（Willis Lamb）在1955年发表获得诺贝尔物理学奖的演说时，打趣地说：“有人说从前发现一个新粒子的人能获得诺贝尔物理学奖，现在发现一个新粒子的人应该被罚款10000美金。”

这些新发现的粒子数以百计，显然不是所有粒子都是“基本的”。我们预期自然界应该只有少数几种真正“基本”的粒子。许多这些被发现粒子，可能只是一些“更基本”的粒子的组合体。这种想法就催生了后来的夸克（quark）模型。