Большинство известных в настоящее время элементарных частиц не существует в обычном веществе. Поэтому, чтобы изучить их свойства, необходимо сначала получить их. В типичном для физики элементарных частиц эксперименте пучок протонов, ускоренных до высокой энергии, направляют на покоящуюся мишень, вещество которой выбирается в зависимости от целей эксперимента. Протоны пучка сталкиваются с протонами и нейтронами ядер вещества мишени. При столь высоких энергиях частиц пучка энергия связи нуклонов в ядре несущественна, и столкновение происходит так, как если бы протон попадал в несвязанный протон или нейтрон. Эта ситуация хорошо моделируется системой из двух твердых тел, скрепленных тонкой веревкой. Если по одному из них легонько ударить, вся система, вместе с веревками, сдвинется как целое. Но если на одно из тел подействует очень большая сила, то веревка не выдержит и это тело отлетит, разорвав веревку и оставив позади себя другое тело. Подобно этому, когда высокоэнергетический протон соударяется с нуклоном в ядре, нуклон, как правило, вылетает из ядра.

Если мишень имеет толщину около метра, то почти все протоны пучка, проходя через нее, встречаются на своем пути, по крайней мере, с одним ядром и так или иначе с ним взаимодействуют. В результате столкновения протон может рассеиваться на некоторый угол так же, как рассеиваются низкоэнергетические электроны и фотоны. Однако при высоких энергиях наиболее характерен другой процесс взаимодействия, а именно рождение новых частиц, которых не было ни в первоначальном пучке, ни в веществе мишени. В процессе рождения новых частиц часть кинетической энергии исходных частиц превращается в энергию покоя новых частиц. Это служит подтверждением одной из возможностей, предсказанных теорией относительности. Новые частицы рождаются более чем в 50% случаев столкновений протонов высоких энергий с ядрами. Число рожденных в каждом столкновении частиц возрастает с увеличением энергии, начиная от одной или двух — для протонов с кинетической энергией около 1000 МэВ (1 ГэВ). Новые частицы обычно не являются ни протонами, ни нейтронами.

Прежде чем говорить об обсуждении природы и свойств других элементарных частиц, необходимо как-то обосновать, почему физики думают, что элементарные частицы рождаются в столкновениях заново, а не просто освобождаются. Мы видели, что электроны и нейтроны также могут вылетать из вещества при различных воздействиях на него, но при этом мы не сомневались, что вылетающие частицы уже существовали в веществе до столкновения, а не рождались в результате него. Поэтому желательно установить точный критерий того, какая из этих взаимоисключающих возможностей каждый раз реализуется. Одним из критериев, позволяющих судить, существовала ли частица в веществе до столкновения или нет, служит наблюдение, устанавливающее, можно ли выбить ее оттуда различными «снарядами». Другой используемый физиками критерий сводится к выяснению того, вылетает ли эта новая частица при столкновениях, в которых кинетическая энергия исходных частиц меньше энергии покоя рождающейся частицы. В соответствии с законом сохранения энергии новая частица может родиться только в том случае, если часть кинетической энергии сталкивающихся частиц превращается в ее энергию покоя. Применяя этот критерий к различным экспериментам, можно заключить, что электроны, протоны и нейтроны изначально присутствуют в веществе, поскольку они вылетают из него в результате столкновений, в которых суммарная кинетическая энергия исходных частиц гораздо меньше их энергии покоя. Для других частиц подобное не наблюдается, отсюда следует, что в обычном веществе их нет. Однако эти критерии становятся весьма сомнительными, когда энергия связи частицы оказывается сравнимой с ее энергией покоя, поскольку для вылета частицы необходимо, чтобы энергия исходных частиц компенсировала энергию связи.

Элементарные частицы, рождающиеся в столкновениях, различаются по своим массам, спинам и другим свойствам. Во многих отношениях мир элементарных частиц выглядит гораздо запутаннее, чем мир атомов или ядер. Помимо трудности получения элементарных частиц существенной помехой для их изучения является их нестабильность — большинство частиц самопроизвольно распадается на другие частицы почти сразу же после рождения.

Из частиц, не существующих в обычном веществе, в столкновениях легче всего получить позитрон, или положительно заряженный электрон, который был открыт Карлом Андерсоном в 1932 г. Если через тонкую металлическую пластину проходит пучок электронов или фотонов с энергиями в несколько МэВ, то из пластины вылетают электроны, а также другие заряженные частицы, масса которых совпадает с массой электрона, а заряд положителен и по абсолютной величине равен заряду электрона. Это и есть позитроны. Тщательные измерения показали, что позитроны рождаются в паре с электронами, иными словами, происходит «рождение пары». Как показывают оценки величины этого эффекта, фотон с энергией 5 МэВ, прошедший через кусок железа толщиной 10 см, вероятнее всего создает один электрон и один позитрон, т. е. одну пару. Пара рождается только в том случае, если энергия фотона не меньше 1,02 МэВ, что равно сумме энергий покоя позитрона и электрона. Это показывает, что фотон именно порождает позитрон, исчезая в процессе рождения последнего, а не освобождает его из вещества, поскольку в этом случае энергия, необходимая для вылета позитрона, по-видимому, зависела бы от свойств вещества. Закон сохранения заряда в применении к процессу рождения позитрона из фотона требует, чтобы одновременно с позитроном рождалась также отрицательно заряженная частица, что и наблюдается на опыте. Закон сохранения энергии требует, чтобы энергия фотона была бы не меньше суммы энергий покоя пары рожденных частиц. Эта энергия довольно мала, так что гамма-фотоны, возникающие в результате некоторых радиоактивных распадов, способны рождать пары. Поэтому позитроны можно получить и без помощи ускорителей частиц.