粒子物理學（英語：particle physics），又稱高能物理學或基本粒子物理學，是研究構成物質的最基本的單元——粒子及其相互作用和變化的規律的科學。它是物理學的一個分支，是研究物質基本結構科學的最前沿。
物質是由原子組成的，原子由原子核和繞核運動的電子構成，而原子核又是一個由質子和中子組成的具有復雜結構的整體，現代粒子物理學又發現中子、質子等重子仍然有著內部結構。現代粒子物理學的研究集中在亞原子粒子上。亞原子粒子也稱為基本粒子。這些粒子包括原子的組成部分如電子、質子和中子（質子和中子本身又是由夸克所組成的粒子）及放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和渺子，以及許多其他奇特的粒子。
粒子物理學研究包括粒子物理學理論和粒子物理學實驗兩大領域。從根本上來講，粒子物理學作為物理學的一個分支，是一門實驗科學。粒子物理學實驗是粒子物理學一切研究工作的基礎。粒子物理學實驗的測量結果，是檢驗粒子物理學理論的唯一標準。實驗粒子物理學是對放射性過程和大型強子對撞機等粒子加速器中的粒子的研究。理論粒子物理學是在宇宙學和量子理論的背景下對這些粒子的研究。希格斯玻色子是由理論粒子物理學家假設的，并通過實際實驗證實了它的存在。
簡史
粒子物理學的發展始于1897年電子的發現，到1995年頂夸克的發現經歷了100年 。在這100年中，隨著不斷地發現新粒子和新現象，粒子物理學從孕育、誕生、成長到成熟，形成了一門嶄新的物理學前沿學科。
公元前6世紀古希臘的哲學家就提出了物質是由基本粒子組成的猜測。19 世紀，約翰·道爾頓 (John Dalton) 通過其化學計量學研究得出結論，自然界的每種元素都是由單一、獨特類型的粒子組成。 原子一詞源自希臘語“atomos”，意思是“不可分割的”，此后一直表示化學元素的最小粒子，但物理學家很快發現原子實際上并不是自然界的基本粒子，而是更小的粒子的聚集體，例如電子。 20 世紀初對核物理和量子物理的探索導致 Lise Meitner 在 1939 年證明了核裂變（基于 Otto Hahn 的實驗），并在同年由 Hans Bethe 證明了核聚變；這兩項發現也導致了核武器的發展。
20世紀的上半葉，正值現代物理學蓬勃發展的階段。自相對論與量子力學創立以來，原子物理、原子核物理相繼得到飛速發展，在此基礎上，粒子物理學也隨之而萌芽、產生了。
在早期的原子物理、原子核物理研究中，電子、光子、質子、中子先后被發現，“基本粒子”的概念逐漸形成。而為了研究高速運動的微觀粒子，人們將相對論與量子力學有機結合，發展出量子場論。通過量子場論的研究，物理學家先后預言了正電子、介子推等粒子的存在。此種預言結果都通過對宇宙射線的研究而得到證實。1950年代和60年代中許多新的粒子被發現，它們被統稱為“粒子動物園”。直到1970年代粒子物理的標準模型建立，將大多數這些粒子看作是少數基本粒子的復合粒子后這個混亂才減輕。
在研究微觀粒子的過程中，首先不可或缺的是探測技術的運用，而依靠驗電器計數、照相底片顯影等進行粒子觀測的手段也越來越不能滿足精確實驗的需要。為此人們發明了各種粒子探測器。早期的基本粒子研究對象基本局限于核反應中的放射線與宇宙射線，能量、強度受到很大限制。為此，物理學家發展出了各種類型的粒子加速器，粒子加速技術得到不斷發展。
經過了第二次世界大戰的有力推動，原子核物理得到迅猛發展。隨著核物理研究的深入及其水平的提高，其學科內部逐漸產生了一個獨立的研究方向，并逐漸形成一個新的物理學分支──粒子物理學，其理論基礎（量子場論）和實驗手段（宇宙線、加速器與探測器）與核物理學一脈相承，并很快成為現代物理學研究的最前沿領域之一。
研究對象
現代粒子物理學的研究集中在亞原子粒子上。亞原子粒子也稱為基本粒子。這些粒子包括原子的組成部分如電子、質子和中子（質子和中子本身又是由夸克所組成的粒子）及放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和渺子，以及許多其他奇特的粒子。嚴格地說“粒子”這個稱呼不精確，粒子物理學中研究的所有的物體都遵守量子力學的規則，它們都顯示波粒二象性，根據不同的實驗條件它們顯示粒子的特性或波的特性。在物理理論中，它們既非粒子也非波，理論學家用希爾伯特空間中的狀態向量來描寫它們，詳細的理論基礎是量子場論。基本粒子內部都有復雜的結構。
夸克和輕子
費米子被進一步分為兩類：輕子和夸克，分別參與不同類型的相互作用。輕子和夸克又都各自存在三代，代與代的區別僅在于質量不同。第一代的費米子是宇宙中最常見的，上夸克、下夸克、電子、電子中微子。上夸克和下夸克存在于核子中；電子圍繞著核子，共同構成原子：電子中微子則在恒星中大量產生。第二代包括桑夸克、奇異夸克、繆子和繆子中微子。第三代包括頂夸克、底夸克、陶子和陶子中微子，其中頂夸克是已知的最重的基本粒子。
電荷：基本粒子中有的帶電，有的是中性的，凡是帶電的基本粒子所帶的電荷量的絕對值絕大多數都和電子所帶的電荷的絕對值相等，所以通常將電子所帶電荷的絕對值作為單位，稱為1個電子電荷，例如質子的電荷是+1,中子的電荷是0。
自旋：像電子一樣，每種基本粒子都有內稟的自旋運動，費米子的自旋總是半整數，如電子、質子、中子的自旋都等于1/2。
基本作用力：所有的基本粒子之間都有引力相互作用，但是基本粒子之間的引力作用太弱，通常不考慮。除了引力作用外，基本粒子之間還有強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用。
強相互作用只存在于夸克和膠子之間，夸克之間通過交換膠子發生強相互作用，膠子之間也可以發生強相互作用。就像帶有電荷的粒子之間通過交換光子發生作用一樣，夸克也帶有某種荷，稱之為色荷。電荷只有一種，而色荷卻有三種，分別稱為紅色、黃色、藍色。像電荷一樣，色荷也有正、負之分，紅色的反荷是反紅色，黃色的反荷是反黃色，藍色的反荷是反藍色。
弱相互作用、電磁作用、強相互作用的強度差別很大，但在高能情況下，它們的相互作用強度將趨于相同。粒子物理學家們已經建立起了一個統一電磁相互作用和弱相互作用的理論。
玻色子
量子場論表明，粒子之間的基本相互作用是通過交換某種粒子來傳遞的，即基本相互作用都是由媒介粒子傳遞的，這類媒介粒子統稱為規范玻色子。下表中列出了規范玻色子的種類以及它們的主要性質。
膠子是傳遞夸克之間色相互作用的媒介粒子，是“色場”的量子。兩個不同色狀態的夸克通過膠子緊密地結合在一起，所以膠子必定是雙色的。分析表明，膠子只可能有8種色狀態；所以在上表標出的膠子的個數為8。
光子和中間玻色子（W±及Z0）分別是電磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在電弱統一理論中，這四種粒子都是電弱作用的場量子，它們都是零質量的粒子。但是由于對稱性的破缺，只有一種媒介子（光子)保持了零質量，而其他三種獲得了巨大的質量。致使對稱性破缺的機制，稱為希格斯（Higgs)機制。所以理論上確信，必定還存在一種被稱為希格斯粒子的粒子。
傳遞引力相互作用的媒介子是引力子g，是引力場量子，它是自旋為2的零質量粒子。希格斯粒子和引力子，是理論上被預言而在實驗中尚未得到存在的直接證據的兩個粒子。
反粒子
無論是費米子還是玻色子都存在反粒子，但是只有費米子要滿足費米子數守恒的規則。對費米子我們定義其費米子數為+1，對反費米子則定義其費米子數為-1，如此可發現在一個反應過程中費米子數總是守恒的。因此費米子總是以費米子-反費米子對的形式被產生和湮滅，比如e+e-或Q。比如，一束光子，如果其能量E>2mc2，其中m是電子質量，則可以產生一對e+e-（此過程需要一個原子，以保證動量守恒），而一對e+e-也可以湮滅成光子，另一例子是，當大質量的恒星變成超新星時，費米子數守恒的過程e++e-→+將變得極為普遍。
色荷
夸克和膠子具有“色荷”，它是屬于夸克和膠子的一種性質，物理學家將其分為三種，分別是紅色、綠色和藍色。組合三個各帶一種不同荷的夸克，就產生一個粒子，比如說質子，這個粒子就是色荷中性的。換句話說，一個紅色荷，一個藍色荷和一個綠色荷的總和是無色的，顏色類比就是由此而來。每種色荷也有負值，稱為反紅、反藍和反綠。這就給出了另一種形成色中性粒子的方式。如果一個夸克帶有一種顏色，而一個反夸克帶有相應的反色，那它們就可以束縛在一起形成介子推，這樣色荷互相抵消而總和就是無色的。例如，夸克可能帶了紅色荷，而反夸克帶了反紅色荷，組合成；夸克帶了藍色荷而反夸克帶了反藍色荷，組合成。
復合粒子
由基本粒子所組成的較大的粒子，即為復合粒子。比如說，氫原子就是一個復合粒子。由復合粒子所組成的體系，它的波函數同樣也存在著一個對稱性與反對稱性的問題。當復合粒子內含有雙數的基本粒子時，則由復合粒子所組成的體系的波函數就是對稱性的。當復合粒子內含有奇數的基本粒子時，則由復合粒子所組成的體系的波函數就是反對稱性的。
主要理論
標準模型
20世紀60年代到70年代，粒子物理學在認識物質微觀結構和運動規律方面取得了重大的、系統的進展，建立了粒子物理的標準模型。標準模型概括了兩方面的內容：
1.物質世界是由62種粒子構成：13種規范玻色子，其中8種膠子g、還有光子、W+、W-、Z和引力子各1種；48種費米子，其中6種輕子，18種夸克及其它們的反粒子；希格斯粒子共1種。這62種粒子中，實驗上現在還沒得到存在的直接證據的唯一1種粒子是引力子。
2.粒子之間的四種基本相互作用：（1）色相互作用：媒介粒子為膠子g；（2）電弱相互作用：媒介粒子為、W+、W-、Z。能量低于250GeV時分解為性質和行為很不相同的兩種相互作用：①電磁相互作用，其媒介粒子為；②弱相互作用，其媒介粒子為W+、W-、Z。（3）引力相互作用：媒介粒子為引力子。（4）希格斯粒子湯川相互作用：媒介粒子為希格斯粒子。
粒子物理的標準模型完整地總結概括了現在已經知道的物質微觀結構和相互作用的各種基本規律，并且得到多方面實驗的大量驗證。粒子物理的標準模型的建立以及它在各方面的成功，標志著物理學在探討物質微觀的結構和運動的基本規律方面正在進入物質世界的一個更深的層次。
量子色動力學
一般簡稱QCD，它與量子電動力學（QED)非常相似。不過QED是處理電磁相互作用的規范理論，而QCD則是處理強相互作用的規范理論；QED中是在帶電粒子之間通過光子傳遞電磁相互作用，而QCD中是在夸克之間通過膠子傳遞色相互作用；QCD與QED的最本質的差別在于，它具有一種漸近自由的性質，即夸克之間的色相互作用強度隨著距離的減小而逐漸趨于零，當夸克之間的距離增大時，色相互作用強度增大，從而有可能將夸克永遠因禁于強子之中，這就是所謂的“色禁閉”現象。
電弱統一理論
嚴格的電弱統一理論是格拉肖（S.Glashow）1961年首先提出的，溫伯格和薩拉姆（A.Salam）于1967—1968年完善的。在這個理論中，電磁作用和弱作用被視為屬于SU（2）U（1）規范對稱性的同一種相互作用，通過交換四種規范玻色子來實的兩種表現形式。該理論的最重要預言是Z0玻色子的存在。這些預言于1983年的實驗得到證實。關于中性弱流的預言也被多次實驗所證實。這個理論的優點是可通過重正化方法消除發散困難，以極高的精度與實驗結果相符合，成為理論物理學中最成功的理論。
實驗粒子物理學
粒子物理學實驗是粒子物理學一切研究工作的基礎。粒子物理學實驗的測量結果，是檢驗粒子物理學理論的唯一標準。一種粒子物理學理論，不論它從數學上來看如何完美，只要它不能正確地解釋實驗現象，就不能被粒子物理學家所承認。因此，每一時期粒子物理學實驗研究所能達到的物質結構的深度就決定了這一時期粒子物理學發展的水平。
粒子物理學實驗通常也被稱為高能物理學實驗，因為粒子物理學實驗通常需要能量很高的粒子束流作為探測物質微觀結構的基本工具。要研究微觀粒子的結構，就需要把它們打碎。打碎它們需要的是高速的粒子束流，通常是電子、質子，以及它們的反粒子的束流。正如炮彈能量越大，穿透能力就越大一樣，用來探索微觀世界物質結構的粒子束流能量越高，就越容易打入到物質結構的更深層次。例如，用能量為幾個電子伏特到幾千電子伏特能量的電子或光子，可以深入原子，研究原子的結構。要研究原子核的結構，則要用能量至少為幾百萬電子伏特的粒子。要研究質子或中子的結構，則需要用能量至少為幾十億電子伏特的粒子。
粒子物理學實驗需要高能的另一個原因是為了產生重的新粒子。根據著名的阿爾伯特·愛因斯坦質能公式，要產生的粒子越重，要求的能量就越高。我們周圍的世界主要是由電子、質子和中子組成的，另外還有來自宇宙線的μ子。粒子物理學發現的大多數粒子都比它們重，必須用高能粒子束流打靴或對撞產生的。想要產生的新粒子越重，所需要的粒子束流能量就越高。
加速器實驗
加速器是產生高能粒子束流的專門設備。帶電粒子，如電子、正電子、質子等被注入到加速器里，在它的磁場的控制下運動，同時用電磁場不斷地提高這些帶電粒子的能量。最后將加速器束流引出來，去打靶，或者讓兩團高能束流對撞。粒子物理學實驗就是觀測這些高能的碰撞反應的產物，來研究物質微觀結構。后一種讓兩團束流對撞的加速器，又稱為對撞機。兩束高能粒子束流相撞的能量要比一束高速粒子打在靜止靶上的能量高得多。因此，近30年來建造的高能物理學實驗用的加速器絕大多數都是對撞機。
高能加速器是高能物理學實驗的關鍵設備。每個時期粒子物理學實驗所能達到的物質結構層次的深度，實際就是由當時加速器所能提供的束流能量決定的。為了大量產生傳遞弱相互作用的中間玻色子Z0和W±。歐洲核子研究中心（日內瓦）專門建造了大型正負電子對撞機LEP。第1階段質心系能量為92GeV，用以產生質量為91GeV的Z0。第2階段質心系能量為170GeV，用以產生W﹢和W﹣粒子對，它們的質量均為80GeV。為了產生能量如此巨大的束流，LEP的周長為27km，橫跨瑞士法國兩國邊境，耗資10多億美元。現在，歐洲核子研究中心計劃把LEP改造成質心系能量為1400GeV的質子質子對撞機，來尋找可能重達1000GeV的希格斯粒子。
非加速器實驗
粒子物理學實驗的另一個重要領域是非加速器實驗。非加速器實驗就是不使用加速器束流的粒子物理學實驗。這種實驗可以分成兩大類。一類是宇宙線實驗。宇宙線實驗是用專門的探測儀器測量宇宙線粒子的性質。大多數非加速器實驗都是屬于宇宙線實驗。另一類實驗是近年來發展起來的研究地球上存在的粒子某些特殊性質的實驗，如測量質子是否衰變的實驗。
在粒子實驗的早期，加速器技術不成熟，粒子物理學實驗研究的主要方法是觀測宇宙線。例如，正電子、μ子、π介子等許多粒子都是首先在宇宙線中觀測到的。宇宙線實驗為粒子物理學實驗早期的發展做出了重大貢獻。
宇宙線原始的成分主要是質子。它們來自宇宙空間其他的星系。它們的來源和加速器的機制還是一個有待解決的科學問題。質子進入大氣層后，往往在大氣層的頂部與空氣的原子核發生相互作用，產生大量的次級粒子。這些粒子衰變產物主要是μ子，還有光子。在地面上的宇宙線觀測到的主要是這些 子和光子。宇宙線實驗的另一類觀測對象是中微子。它們可能是來自太陽的中微子，也可能是來自宇宙空間的中微子，如超新星爆炸產生的中微子。這類實驗往往設置在很深的山洞里，或數千米深的水下。這樣，可以讓宇宙線中絕大部分的μ子被巖石或水吸收。只有與物質作用十分微弱的中微子才能到達測量儀器。
主要實驗室
布魯克海文國家實驗室：它的主要設施是相對論重離子對撞機，它碰撞金離子和極化質子等重離子。 它是世界上第一臺重離子對撞機，也是世界上唯一的偏振質子對撞機。
布德克核物理研究所：位于俄羅斯新西伯利亞州，其主要項目是自2000年開始運行的電子-正電子對撞機VEPP-12，以及4年后開始實驗的VEPP-13。
CERN（歐洲核子研究組織）：CERN 成立于1954年9月22日，總部位于日內瓦，它擁有的主要實驗設施有：世界上最大的正負電子對撞機 LEP、 超大型質子同步加速器 SPS、28Gev 質子同步加速器 PS、反質子減速器 AD、大型強子對撞機LHC等。
費米國家加速器實驗室：位于芝加哥西郊，主要設備為正反質子對撞機（Tevatron）和DO探測器。費米國家加速器實驗室的復雜加速器環能夠提供高能量的對撞，其最大可將質子束和反質子束加速到980GeV的能量，并產生質心系能量1.96TeV的對撞。在Tevatron加速器中設置有兩個對撞點，分別位于CDF和DO這兩個探測器的位置上，正反質子束流就在這兩個探測器所在的位置上發生對撞。
高能物理研究所：位于北京，主要設備有正在運行的北京正負電子對撞機/北京譜儀/北京同步輻射裝置、羊八井國際宇宙線觀測站、大亞灣中微子實驗裝置、“慧眼”硬X射線調制望遠鏡衛星、中國散裂中子源，正在建設的江門中微子實驗裝置、高海拔宇宙線觀測站、阿里原初引力波探測實驗、高能同步輻射光源等。?
日本國家高能物理研究所：位于日本東京東北茨城縣，由兩個研究所組成：粒子和核研究所及材料結構研究所，筑波園內，建有一臺開展BELLE實驗的正負電子對撞機（KEKB）和一臺開展K2K中微子震蕩實驗用的質子同步加速器（PS）。中子和μ子束流從PS增強器被引到進行各種固態實驗的中子和μ子設施。
美國SLAC國家加速器實驗室：位于美國，利用X射線自由電子激光器，實現了硬X射線區（可歸類為小于0.2nm的波長）內的激光發射。
理論粒子物理學
理論粒子物理學試圖研究和能夠解釋今天的實驗結果和能夠預言未來的實驗結果的模型、理論構架和數學工具。今天在這方面有許多不同的努力。一個重要的工作點是更好地理解標準模型理論和其實驗結果，從試驗中獲得更精確的參數，這個工作點測試標準模型理論的極限來擴大我們對自然的理解。這個工作最大的困難在于量子色力學中對多個物體計算時的困難。一些理論家將他們的精力集中在有效場論。另一個重要的工作點是建立超過標準模型理論的模型。由于今天的實驗數據還不夠，這個工作非常困難。新的理論結構有超對稱、希格斯機制、阮桑模型、前子理論等等。第三個重要的工作點是弦理論，其目的在于統一量子力學和廣義相對論。此外，還有一些其他的理論工作如圈量子引力理論等。
應用
原則上，所有物理學都可以源自對基本粒子的研究。在實踐中，即使“粒子物理學”僅意味著“高能原子粉碎機”，在這些開創性的研究過程中也開發了很多研究裝置和技術，如粒子加速器、超導技術等，這些裝置和技術在社會上得到了廣泛的應用。
粒子加速器的應用
在探索和變革原子核與基本粒子方面的應用：人們用加速器合成了絕大部分超軸元素和上千種人工放射性核素，并系統深入地研究了原子核的性質、內部結構以及原子核之間的相互作用過程，使原子核物理學迅速地發展成熟起來。隨著加速器加速粒子能量的提高，還陸續發現了100多種所謂的“基本”粒子，催生了夸克模型以及電磁相互作用和弱相互作用相統一的理論，建立起粒子物理學這樣一門新的學科，使人們對微觀物質世界深層結構的認識深入到10-18m的領域。
在原子、分子物理、固體物理等非核基礎科研方面的應用：利用加速器產生的電子、離子和光束研究粒子與原子、分子碰撞的物理過程以及所產生的一系列新的狀態、新的同位素原子，有利于研究傳統原子、分子物理學所無法研究的諸多問題。一種叫作“基于加速器的原子與分子科學”的研究方向正在發展之中。
高靈敏度離子束元素分析：單級和串列靜電加速器等產生的低能離子束廣泛地用來進行各種樣品的元素分析，其主要技術有：①核反應分析（NRA）；②背散射（RBS）分析；③彈性反沖探測分析（ERDA）；④質子激發X射線熒光（PIXE）分析；超靈敏加速器質譜計（AMS）技術；活化分析。
加速器在醫療方面的應用：（1）醫用放射性同位素的生產：加速器生產的缺中子同位素往往比反應堆生產的同位素更適宜于醫用，因為它們的純度和放射性比度都比較高，而且具有比較合理的半衰期。（2）放射治療：加速器產生的電子、X射線、質子、中子等粒子都具有殺傷癌細胞的能力，都可能成為治療癌癥的有用工具。除了上述應用之外，加速器的粒子射線還可用來對一些不宜用化學方法消毒的物品，如疫苗、抗生素等進行輻射消毒，也可用來對一些手術器件進行輻照消毒等。
加速器在工業上的應用：（1）輻照加工：電子和X射線輻照目前已成為化工生產的一個重要手段，廣泛應用于聚合物的交聯改性，涂層的固化，橡膠的硫化，聚乙烯的發泡以及熱縮材料、木材-塑料復合材料制備等加工過程。經輻照生產出來的產品有許多優良的特點。（2）離子注入：用加速器將所需的離子注入硅基片的技術早已成為半導體器件和大規模集成電路片生產所普遍使用的關鍵工藝。（3）無損檢驗：材料的無損檢驗是保證產品質量不可缺少的重要手段，加速器產生的X射線、中子等都可以用來檢驗材料的缺陷。特別是X射線，常常用來檢查大型鑄鍛焊件、大電機軸、水輪機葉片、高壓容器、反應堆壓力殼、火箭的固體酒精等工件中的缺陷，所用的加速器主要是電子直線、電子回旋和電子感應加速器。電子直線加速器-X射線成像裝置還用于海關大型集裝箱的檢測系統。檢查處于快速運動狀態下的爆炸飛散現象時則要采用大電流的電子脈沖加速器，進行“閃光”照相。
農業、生物學上的應用：（1）輻射育種：加速器產生的射線可以用來改變植物、微生物和動物的遺傳特性，使它們沿優化方向發展。（2）輻照保鮮：輻照能抑制根菜類，如馬鈴薯、洋蔥、甜菜等的發芽，延遲果品成熟或變質，延長儲藏和供應期。（3）輻照滅菌、殺蟲脒：農產品、畜產品和水產品中都有某些有害的微生物與寄生昆蟲，輻照處理可以殺蟲、滅菌，延長保藏期。此外，粒子束技術在武器裝備領域也有巨大的應用潛力。粒子束定向能武器作為粒子束技術在國防領域的重要應用之一，受到軍事強國的重點關注與研究。
超導技術的應用
電子學應用：自1962年超導量子隧道效應發現以后，超導技術在電子學中的應用揭開了新的篇章,經過多年的發展，至今已有許多新型的超導電子器件研制成功，這些超導電子器件包括：超導量子干涉器（SQUID）、超導混頻器、超導數字電路、超導粒子探測器等。超導量子干涉器是一種磁通量—電壓轉換器件，如果用一個簡單的輸入變壓器，就轉變成電流——電壓放大器。這種放大器靈敏度極高，帶寬能夠達到兆赫，沒有相位畸變，噪聲極小。例如SQUID磁強計能夠測量非常微弱的磁場，其分辨率能夠達到10-11Gs左右，可以用來測量人體的微弱磁場，描繪出心磁力和腦磁圖。超導混頻器利用布賴恩·約瑟夫森結的變頻作用，將高頻信號轉換成中頻信號,主要應用于無線電技術中。
生物醫學中的應用：超導技術在生物醫學中的應用包括超導核磁共振成像裝置（MRI）和核磁共振譜（NMR）。核磁共振成像的原理是基于被測對象的原子磁場與外磁場的共振現象來分析被測對象的內部狀態。目前，核磁共振成像裝置已廣泛用于醫學診斷中，例如用于早期腫瘤和心血管疾病等的診斷，它能準確檢查發病部位，無損傷和輻射作用，并且診斷面非常廣。核磁共振譜儀是基于核磁共振原理而研制出來的，它目前已廣泛用于物理、化學、生物、遺傳和醫藥學等領域的研究中，具有高分率、高頻率、高磁場等優點。
科學工程和實驗室應用：科學工程和實驗室是超導技術應用的一個重要方面，它包括高能加速器、核聚變裝置等。超導磁體是高能加速器和核聚變裝置不可缺少的關鍵部件。
高溫超導電纜：高溫超導電纜是采用無阻的、能傳輸高電流密度的超導材料作為導電體并能傳輸大電流的一種電力設施，具有截流能力大、損耗低、體積小和重量輕等優點，是解決大容量、低損耗輸電的一個重要途徑。它由電纜芯、低溫容器、終端和冷卻系統四個部分組成。其中電纜芯是高溫超導電纜的核心部分，包括通電導體、電絕緣和屏幕導體等主要部件。
超導限流器：超導限流器是利用超導體的超導/正常態轉變特性,有效限制電力系統故障短路電流，能夠快速和有效地達到限流作用的一種電力設備。超導限流器集檢測、觸發和限流于一體，反應速度快,正常運行時的損耗很低能自動復位，克服了常規保險絲只能使用一次的缺點。
超導變壓器：超導變壓器是一種靜止單元的電機，其設計一般都采用與常規變壓器一樣的鐵芯結構，僅高、低壓繞組采用超導線繞組，超導繞組置于低溫容器中，而變壓器鐵芯一般仍處在室溫條件下。超導變壓器的優點是重量輕、體積小、效率高、無火災隱患以及無環境污染等，同時具有一定的限流作用。一般而言，超導變壓器的重量（鐵芯和導線）僅為常規變壓器的40%甚至更小,特別是當變壓器的容量超過300MV·A時，這種優越性將更為明顯。
交通應用：超導技術在交通方面的應用是隨著國民經濟的發展，社會對交通運輸的要求而產生的。超導磁浮列車利用磁懸浮作用使車輪與地面脫離接觸而懸浮于軌道之上，并利用直線電機驅動列車運動的一種新型交通工具。由于超導磁懸浮列車的時速高達500km/h，并具有安全、噪音低和占地小等優點，因此被認為是未來理想的交通運輸工具。
發展前景
粒子物理已經深入到比強子更深層次的物質的性質的研究。更高能量加速器的建造，無疑將為粒子物理實驗研究提供更有力的手段，有利于產生更多的新粒子，以弄清夸克的種類和輕子的種類、它們的性質以及它們的可能的內部結構。
弱電相互作用統一理論目前取得的成功，特別是弱規范粒子W+、W-和Z0的發現，加強了人們對定域規范場理論作為相互作用的基本理論的信念，也為今后以高能輕子作為探針探討強子的內部結構、夸克及膠子的性質以及強作用的性質提供了可靠的分析手段。但黑格斯粒子是否存在的問題尚有待于繼續澄清。
夸克之間強相互作用的一些根本性的重大問題，如因禁、碎裂等，目前還沒有解決，在今后一個時期，強相互作用將是粒子物理研究的一個重點。
把電磁作用、弱作用和強作用統一起來的大統一理論，近年來引起相當大的注意。但即使在最簡單的模型中，也包含近20個無量綱的參數。這表明這種理論還包含著大量的現象性的成分，只是一個十分初步的嘗試。它還要走相當長的一段路，才能成為一個有效的理論。另外，從發展趨勢來看粒子物理學的進展肯定會在宇宙演化的研究中起推進作用，這個方面的研究也將會是一個十分活躍的領域。
物理學是一門以實驗為基礎的科學，粒子物理學也不例外。因此，新的粒子加速原理和新的探測手段的出現，將是意義深遠的。
爭議
“對撞機是人類探索微觀物質世界的“超強顯微鏡’。科學家要研究的粒子愈微小，選用的對撞機體積就要愈龐大、粒子加速的能級也越高。”中國北京正負電子對撞機BEPC的能級很難推動中國高能物理的進一步發展，2012年，以王貽芳為首的中國物理學家在國際上獨立地首次提出環形正負電子對撞機——超級質子對撞機CEPC-SPPC（Circular Electron Positron Collider and Super Proton Positron Collider）的設想，該項目計劃在中國建設周長為50～100km、能量為250GeV的環形正負電子對撞機，利用同一隧道，再建造一臺能量為50～70TeV的超級質子對撞機，該對撞機建成后，能量會比歐洲核子研究中心的大型強子對撞機LHC（Large Hadron Collider)高7倍，同時耗資巨大，或將成為中國耗資最多的大型科學裝置。
關于中國現在是否適宜建設大型對撞機的爭論，已經發展成為世界高能物理領域的一場大爭論，爭論主要圍繞以下幾方面展開，首先是經費問題，支持方的代表王貼芳提出“分兩步走”策略，并采用了分解法和類比法對CEPC與SPPC進行估價，預估CEPC與SPCC的工程造價分別是400億人民幣（約60億美元）和1000億人民幣（約150億美元），此項目采取國際合作的方式，國際貢獻約占30%，德國慕尼黑大學OtmarBiebel教授認為“中國是上升中的大國”，有能力承擔這筆支出。反對方的代表楊振寧認為，美國超導超級對撞機SSC（SuperconductingSuperCollider）的下馬已經說明建造大型對撞機在花費方面是個無底洞。其次是機遇問題，支持方代表王貼芳、韓濤的觀點主要是，目前日本擬建國際直線對撞機ILC（International LinearCollider）處于觀望階段，歐洲CERN忙于運行LHC，美國高能物理的研究重點是中微子實驗，對建造大型對撞機尚無計劃，這給中國建造大型對撞機帶來難得的十年“窗口期”，我們不應錯失良機。劍橋大學天文物理學家DidierQueloz教授認為“中國現在建造大型粒子對撞機可以獲得該領域的優先級”。反對方卻認為建造大型對撞機并不是發展中國高能物理學唯一的出路，德國馬克思普朗克研究所的ChristophKeitel教授認為“激光粒子加速器就很有發展潛力”。再次是社會價值問題，根據牛津大學物理學家菲利普·彪羅斯（PhilipBurrows）統計，最初為解決基礎物理問題而設計的加速器，目前世界約有25000臺，但其中只有大約0.5%用于物理研究，而其余99.5%被用于生物醫學、工業等其他領域。支持方王貼芳、徐慶金等也認為，開發大型對撞機項目，對社會經濟民生會有巨大的推進作用，可以帶動中低端產業的技術升級，為廣大國民提供更多高質量的就業機會，當時美國SSC項目的強力支持者戴維·格婁斯（DavidGross)稱這一方案“有望做出的科學發現，對科技進步的貢獻以及對整個中國的貢獻，都會被永久銘記”。反對方代表楊振寧認為超大對撞機對人類生活30年、50年內不會有實在的好處，而且中國仍然是一個發展中國家，建造超大對撞機費用奇大，影響其他社會民生問題的解決。
參考資料 >
高能物理研究所.中國科學院高能物理研究所.2023-12-18