Hạt cơ bản là những hạt nhỏ nhất mà hiện nay người ta trực tiếp quan sát được. Hạt cơ bản rốt cuộc nhỏ như thế nào? Nếu như có một loại kính phóng đại có thể đem quả bóng bàn phóng to
lên bằng quả đất của chúng ta, thì với tốc độ phóng đại như vậy nhìn vào hạt cơ bản thì nó cũng chỉ lớn bằng quả bóng bàn mà thôi. Đem 1.000 tỷ hạt cơ bản xếp thành một hàng ngang và cho đội hình hàng ngang đó cùng đi qua một lỗ kim thì vẫn còn rộng rãi. Để nghiên cứu những hạt cơ bản nhỏ bé ấy các nhà vật lý phải dùng tới những máy gia tốc năng lượng cao. Vì sao lại phải như vậy? Vốn là trong thế giới vi mô, quy luật chuyển động của vật chất hoàn toàn không giống với những cái chúng ta thường thấy trong cuộc sống bình thường. Trong thế giới vĩ mô các hạt chuyển động, nói chung đều có một quỹ đạo rõ rệt; còn sóng xuất hiện dưới dạng trải ra trong không gian. Vì vậy hạt là hạt, sóng là sóng, không ai có thể đem trộn chúng với nhau.
Đầu thế kỷ XX khi các nhà vật lý đi sâu nghiên cứu tới phân tử, nguyên tử cùng các tầng nấc sâu hơn thì đã phát hiện được một số hạt rất nhỏ có nhiều hành vi kỳ quái không thể dùng các kinh nghiệm đã có để giải thích. Có một nhà sử học tên là Lui Đơ Brơi chịu ảnh hưởng của những nghiên cứu vật lý thực nghiệm của người Anh đã chuyển nghề sang nghiên cứu cấu trúc vật chất.Năm 1924 ông nộp luận văn tiến sĩ cho Viện đại học vật lý Pari, trong luận văn ông nêu lên một quan điểm mới cho rằng chuyển động của bất kỳ hạt nào đều có tính chất sóng bên cạnh các tính chất hạt, cùng ảnh hưởng đến chuyển động của hạt. Bước sóng của
sóng đó và động lượng (xung lượng) của hạt tỷ lệ nghịch với nhau. Do đôi mắt của chúng ta nhìn thấy khối lượng vật thể rất lớn, dùng công thức của Đơ Brơi để tính bước sóng thì vô cùng ngắn, không thấy ảnh hưởng của sóng đó. Thế nhưng đối với những hạt trong thế giới vi mô mà nói thì những hành vi của loại sóng này lại rất mãnh liệt. Đơ Brơi cho rằng chỉ cần thừa nhận giả thuyết đó thì có thể giải thích được rất nhiều hiện tượng bất thường của các loại hạt như nguyên tử. Mới đầu mọi người nửa tin nửa ngờ giả thuyết của ông, nhưng không lâu sau đó thực nghiệm đã chứng minh quan điểm của Đơ Brơi. Vì vậy vị tân tiến sĩ đó đã được nhận giải Nobel.
Khi thăm dò thế giới vi mô các nhà vật lý thường dùng phương pháp là đem một chùm hạt cơ bản đã biết tính chất làm đạn để bắn vào một loại hạt cơ bản nào còn chưa biết, thông qua quan sát tác dụng tương hỗ giữa chúng với nhau để nghiên cứu tính chất của hạt bia. Khi nghiên cứu hạt cơ bản, để nhìn rõ cấu trúc của nó, bước sóng của hạt cơ bản làm đạn phải càng ngắn càng tốt, hoặc động lượng của chúng càng lớn càng tốt. Nếu không thể do sự nhiễu loạn mạnh của sóng sẽ rất khó khăn trong việc đo đạc chính xác hạt bia. Thế nhưng năng lượng chùm hạt càng lớn thì càng khó thuần phục chúng, muốn chúng ngoặt một cái cũng rất không đơn giản. Biện pháp giải quyết là chỉ có thể hết sức giảm nhỏ độ uốn cong “đường đạn” của máy gia tốc, nhưng như vậy đường kính của máy gia tốc lại càng phải lớn.
Nhà vật lý nguyên tử nổi tiếng người Italia tên là Enricô Fecmi đã từng nói một cách hài hước rằng: Nếu như người ta muốn tạo một máy gia tốc đạt được năng lượng bằng tia vũ trụ thì chu vi của máy gia tốc đó sẽ lớn tới mức có thể bao quanh xích đạo của trái đất. Thế nhưng con người tin tưởng rằng trong tương lai lợi dụng một loại kỹ thuật mới nào đó (như kỹ thuật siêu dẫn) sẽ có thể giảm được rất nhiều kích thước của máy gia tốc. Tuy nhiên xét tình hình trước mắt thì đối tượng nghiên cứu trong vật lý càng nhỏ, thiết bị nghiên cứu sử dụng rõ ràng là càng ngày càng lớn.