发现、研究新的基本粒子，探索微观结构的极限，其使用的基本工具，就是复杂、神秘而又昂贵的人工粒子源——加速器。
　　高能加速器担负的任务是把带电粒子（质子、离子、电子）加速到一定的能量，作为“探针”供各种不同的实验使用。通常研究的客体越小，“探针”的能量必须越高。现代高能加速器已能够获得密度为每秒钟10¹⁸个粒子的束流，于是可以开展大量的、有目的的实验研究，并应用到医学、现代工业等方面。
　　1932年，英国科学家科克劳夫与沃顿建造了一台高压加速器，把质子加速到具有70万电子伏（1电子伏=1.6×10^-19焦耳）的动能，并在历史上首次使用人工加速的粒子实现了核反应。次年，美国的科学家范德格拉夫把高压加速器的记录提高到1.2兆电子伏。几乎同时，美国的物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，回旋加速器巧妙地利用磁场把粒子限制在一定大小的两个“D”形盒中，在阿個“D”形盒的接缝处加上高频交变电场，使粒子加速。到上个世纪30年代末期，它的能量已高达20兆电子伏，成为各种加速器的最高者，劳伦斯凶此获得了诺贝尔物理学奖。
　　由于相对论效应，粒子速度越高，质量就越大，旋转一周所需的时间就越长，若加速电场的周期不变，这样就产生了不合拍的现象，也就限制了能量的提高。有鉴于此，科学家们又先后发明了“等时性回旋加速器”和“稳相加速器”。前者是把磁场强度做得不均匀，从而抵消掉相对论效应的影响，加速能量达几亿电子伏；后者是根据“自动稳相”原理设计的，改变加速电场的频率，以适应粒子回旋频率的变化，其能量水平也达到几亿电子伏。虽然这两种加速器从理论上说，可以把粒子加速到任意商的能量，但是由于能量的提高伴随着轨道半径的增大，因而磁极也越来越大，这样就显得极为笨重。因此科学家们又想到了把磁铁心挖掉，变为磁铁环的办法，从而使粒子不再沿形如钟表发条的轨道回旋，而是在半径从几米到几千米的环形磁跑道里加速，跑道每隔一定的距离就有磁铁来控制粒子的轨迹，并伴随着粒子速度的增加，磁场亦按同样的步伐增强，这就是同步加速器的基本特征。
　　同步加速器可加速电子和质子等重粒子。从技术上考虑，一般先用别的加速器把粒子加速到一定的速度后，再送人同步加速器中加速。电子同步加速器出现于上个世纪40年代中期。电子在以接近于光速的速度做圆周运动时，会在切线方向强烈地辐射出光子，这就是同步辐射。它使电子的能量损失很大，这部分损失的能量由加速器上的高频腔来补充。人们发现，同步辐射在分子生物学、表面物理、非线性光学、半导体器件丁艺等方面有着广泛应用，已成为一门新兴的技术。
　　质子同步加速器在原理上与电子同步加速器基本相同，但加速对象是质子，它的质量比电子大得多（1837倍），要求轨道半径也大得多。目前，同步加速器能使能量提高到几百亿电子伏。
　　1952年，又出现了“强聚焦同步加速器”。它是在普通加速器的基础上，进一步加强聚焦能力，把粒子更加严格地限制在轨道上，这样可以更进一步地提高能量，达到几千亿电子伏，而加速器设备也更加庞大，占地面积达到几万亩，造价均为上十亿美元。
　　为了进一步提高效率，“对撞机”应运而生了。顾名思义，对撞机就是让两束高能粒子相互对撞。乍一看，对撞能量至少提高一倍，其实若从有效能的观点看，对撞的好处更大，特别是对质量较小的粒子（如电子）。对撞机的结构与同步加速器极为相似，高能粒子经过预加速后注入对撞机中，在环形真空室中贮存起来，当其积累到一定的密度时就进行对撞，在对撞点对反应进行探测。目前，世界上的大型加速器多是对撞机，如北京正负电子对撞机、美国斯坦福大学的正负电子对撞机、日本的正负电子对撞机、美国的质子对撞机，以及欧洲核子中心的大型强子对撞机。此外，美国还投资近百亿美元，建造了超导超级对撞机，其周长达87千米。
　　粒子物理学家们正是利用这些加速器，探索物质组成的微观奥秘。今后，新加速器原理和新加速器的出现，必将给人类探索微观世界提供更加有力的工具。