Les études sur les particules ont débuté par l'étude des rayonnements émis par les substances radioactives, et avec des détecteurs de particules portatifs ou de table permettant de détecter plusieurs particules élémentaires à TPN. Pour détecter d'autres particules, il faut modifier le niveau d'énergie.
On a eu tout d'abord recours à l'observation des rayons cosmiques, en altitude pour diminuer la dégradation causée par la traversée de l'atmosphère. Ceci a permis d'améliorer substantiellement les détecteurs, car il fallait augmenter leur surface, compte tenu du faible nombre de rayons cosmiques intéressants. On s'est alors tourné vers la construction des accélérateurs de particules, fournissant un faisceau homogène et bien calibré de particules dont on a progressivement su augmenter le niveau d'énergie. Parallèlement, les détecteurs ont progressé, afin d'étudier les interactions des particules ainsi produites.
Actuellement, les expériences de physique des particules sont menées par des équipes en collaborations internationales, qui se chargent de la construction des détecteurs spécifiques au genre d'expérimentation souhaité, et les installent auprès d'accélérateurs construits également par des collaborations internationales puissantes.
Les principaux sites d'accélérateurs internationaux sont :
De nombreux autres accélérateurs de particules existent.
Selon leur nature et leur énergie, les particules interagiront différemment avec la matière. Ces interactions sont les suivantes :
Contrairement aux particules chargées qui déposent leur énergie de manière continue le long de leur trajectoire, les interactions des photons sont localisées. Lorsqu'ils traversent un milieu, les photons traversent une certaine distance sans être affectés puis déposent brutalement de l'énergie par les interactions suivantes :
La probabilité de produire une interaction est constante le long de la trajectoire, et par suite le nombre de photons survivants décroît en série géométrique (exponentielle) le long de la distance parcourue.
La fraction des photons qui subsistent après avoir traversé une distance x est e-µx où µ est le coefficient d'absorption, exprimé en cm-1. C'est la somme des coefficients d'absorption des différentes interactions pour les divers composants du matériau.
L'absorption peut être paramétrée plus commodément par le coefficient d'atténuation massique µ/ρ exprimé en cm²/g, sensiblement indépendant de la densité ρ du matériau absorbant, et ne dépendant plus que de sa composition.