Partículas subatômicas, também chamadas partículas elementares, são as unidades fundamentais da matéria e da energia. Quase todo o conhecimento sobre a existência e propriedades das partículas subatômicas foi adquirido somente a partir do final do século XIX e, desde então, já se comprovou a existência de mais de 200 partículas e estabeleceram-se inúmeras leis que governam suas inter-relações. A grande quantidade de partículas e a complexidade das equações matemáticas que predizem seu comportamento levou os cientistas a buscarem teorias unificadoras capazes de simplificar o estudo da estrutura básica do universo.
Posteriormente, verificou-se que a nuvem de elétrons se compunha de diferentes estados ou níveis de energia. Os elétrons podem saltar para estados inferiores e emitir energia em forma de pacotes ou quanta de luz: os fótons. Assim, no fim da década de 1920, a teoria atômica já descrevia elétrons, núcleos e fótons como partículas elementares e concluía que elétrons e núcleos se mantinham juntos e formavam os átomos por meio da força eletromagnética existente entre eles.
No início da década de 1930, comprovou-se que o próprio núcleo se compunha de partículas ainda menores, genericamente denominadas núcleons. Alguns núcleons tinham carga de energia positiva, enquanto outros apresentavam carga nula: foram chamados, respectivamente, prótons e nêutrons. De acordo com as leis da mecânica quântica, introduzida em 1926, concluiu-se que os núcleons se mantinham juntos por meio de uma intensa força nuclear, que só atuava quando as partículas estavam separadas por distâncias ínfimas, da ordem de 10-13cm.
A mecânica quântica também permitiu explicar o fenômeno da radiação beta. Nesse tipo de radiação, o núcleo, por emissão de um elétron e de uma partícula neutra de pequena massa, sofre transição para um estado de energia mais baixa. A partícula emitida, chamada neutrino, é dificilmente detectada porque sua interação com a matéria é muito fraca.
Compostos de partículas com massa, carga elétrica e spin semi-inteiro (spin é a medida da rotação de uma partícula), os quarks foram divididos em seis variedades. Apenas duas delas, conhecidas como up (alto) e down (baixo), ocorrem nos prótons e nêutrons da matéria comum. Três outros tipos de quarks, qualificados de strange (estranho), charm (charme) e bottom (fundo), existem apenas em partículas instáveis, que se desintegram espontaneamente em alguns centésimos-milionésimos de segundo ou em tempo ainda menor. O sexto tipo, o top (topo), é o mais pesado dos quarks e, portanto, o que apresenta maior dificuldade para ser produzido experimentalmente. Sua existência só foi experimentalmente comprovada em 1995. O top quark existiu provavelmente somente no primeiro bilionésimo de segundo do cosmos.
As partículas formadas de quarks são chamadas genericamente de hádrons. Aquelas em que tanto o próton como o nêutron são formados por três quarks se chamam bárions. Outras partículas formadas por um quark e um antiquark denominam-se mésons.
Encontram-se igualmente vários tipos de léptons, dos quais o mais conhecido é o elétron. Outros léptons de maior massa são os múons e a partícula tau. Um terceiro grupo importante de partículas subatômicas é constituído pelos bósons. Ao contrário dos quarks e léptons, os bósons não são construtores de matéria, mas transmissores das forças fundamentais do universo: a força eletromagnética, a força gravitacional e as forças forte e fraca que atuam no átomo.
A força "eletrofraca", unificação da força fraca com a eletromagnética, se mantém porque léptons e seus neutrinos associados emitem e absorvem partículas com massa e carregadas, conhecidas como bósons W. Acredita-se que uma outra partícula chamada bóson Z, que tem massa mas é eletricamente neutra, é também substituída durante a interação.
Outros bósons incluem os glúons, transmissores da interação forte, que liga os quarks para formar os hádrons. Os glúons não têm massa e viajam à velocidade da luz. Além disso, se multiplicam ao viajarem de um quark a outro e, dessa forma, aumentam a intensidade da força que transmitem. Quanto maior o número de glúons trocados entre os quarks, maior se torna a força de ligação.