粒子加速器是高能物理学研究必不可少的实验设备。要想了解微观世界，发现新的基本粒子，必须借助具有很高能量的加速器才能打开原子核，克服束缚其内部基本组分的强相互作用力。
目前世界各国研究机构有许多大型粒子加速器。但能量极高、体积庞大、设备复杂的巨型粒子加速器只有几台，包括位于欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机、美国斯坦福直线加速器中心的斯坦福直线对撞机、美国芝加哥费米国家实验室的质子-反质子对撞机、德国汉堡电子同步加速器研究所的电子-质子对撞机、美国能源部所属布鲁克海文国家实验室的相对论重粒子对撞机，以及日本高能加速器研究组织的强流质子加速器等。
欧洲核子研究中心于20世纪80年代建成的大型正负电子对撞机由一系列多级加速器串联而成，包括电子直线加速器、正电子积累环、质子同步加速器、反质子积累器和反质子减速器，以及对撞机设备等，构成一套连续性的电子加速装置，每台加速器将粒子束流加速后注入下一台加速器里，逐渐将粒子加速到很高的能量，然后再让它们迎头对撞，可获得约3.5万亿eV的最大能量，达到1.5万亿℃的瞬时高温，相当于太阳中心温度的10万倍，用于研究宇宙“大爆炸”后不到1秒钟时间内发生的情况。
反质子积累器和反质子减速器又称反物质工厂，它通过高能对撞产生反氢原子，然后将其冷却，减速到便于运用的能量，最后将其引出，提供给物理学家们研究光谱学和检验物质的宇称守恒情况。科学家希望通过它来搞清为什么物质会有质量，了解暗物质和暗能量的起源，解释宇宙为何在不断加速膨胀，解开反物质为何少于正物质等谜团。
这些设备都安装在地下隧道中。主加速器为环形，周长27km。科学家们利用探测器对加速器中的粒子进行跟踪，研究粒子束对撞后发生了什么现象，以及各种粒子间的相互作用过程，做出了很多重要发现。
在20世纪90年代，欧洲核子研究中心的科学家通过实验验证了粒子物理学标准模型的正确性，以及弱相互作用和电磁力混合的理论，测定了两种新发现的弱相互作用粒子Z子和W子的特性，证明轻子和夸克只能有3个世代，并观测到Z子衰变为中微子的详细过程。
几年前，科学家利用大型正负电子对撞机曾经发现标准模型所预言的最后一个基本粒子——希格斯粒子存在的迹象，但由于对撞机的能量已到了极限而无法证实。欧洲核子研究中心决定在大型正负电子对撞机的原址上重新建造一台大型强子对撞机。