宇宙，在基本層面上，只是由一些不同類型的粒子和場組成，它們存在於時空結構中，而時空結構又構成了其他的空白空間。雖然宇宙中可能有一些我們不瞭解的組成部分，比如暗物質和暗能量，但正常物質和輻射不僅被很好地理解，而且被我們最好的粒子理論標準模型完美地描述。
- 上圖：標準模型的粒子，質量（mev）在右上角。費米子組成左邊的三列（三代）；玻色子填充右邊的兩列。如果像鏡像物質這樣的推測性想法是正確的，那麼這些粒子中的每一個都可能有鏡像物質對應物。
標準模型有一個複雜但有序的結構，有三代粒子。為什麼是三代粒子呢？粒子族顯示為一組3，以電子、μ子和τ族為特徵。最後兩個是不穩定和腐朽的。所以我的問題是：高階粒子是否存在？如果是存在的話，這些粒子能能量將是什麼樣的呢？如果沒有，我們怎麼知道它們不存在。這是個大問題，讓我們一起來探討。
- 上圖：標準模型的粒子和反粒子現在都被直接探測到了，最後一個堅持的粒子，希格斯玻色子，在本世紀早些時候落在了大型強子對撞機上。所有這些粒子都可以在LHC能量下產生，並且粒子的質量導致基本常數，這些常數是完美描述它們的絕對必要的。這些粒子可以用標準模型下的量子場論來描述，但它們不能描述一切，比如暗物質。
標準模型中有兩類粒子：費米子，其自旋為半整數（±1/2，±1/2，±2/2等），其中每個費米子都有反物質（反費米子）對應物；玻色子，其自旋為整數（0，±1，±2等），既不是物質也不是反物質。玻色子就是這樣：1個希格斯玻色子，1個玻色子（光子）表示電磁力，3個玻色子（W+，W-和Z）表示弱力，8個膠子表示強力。
玻色子是能使費米子相互作用的攜帶力的粒子，但費米子（和反費米子）攜帶基本電荷，這些電荷決定了它們受到哪些力（和玻色子）的影響。當夸克與所有三種力耦合時，輕子（和反輕子）感覺不到強大的力，中微子（和反中微子）也感覺不到電磁力。
- 上圖顯示了標準模型的結構（與基於4x4平方的粒子的更熟悉的圖像相比，以更完整、更少誤導的方式顯示關鍵關係和模式）。特別是，這張圖描繪了標準模型中的所有粒子（包括它們的字母名、質量、自旋、慣用手、電荷以及與規範玻色子的相互作用：即與強電和弱電的相互作用）。它還描述了希格斯玻色子的作用和電弱對稱性破壞的結構，說明了希格斯真空期望值是如何破壞電弱對稱性的，以及剩餘粒子的性質是如何隨之改變的。注意，Z玻色子結合夸克和輕子，並且可以通過中微子通道衰變。
但標準模型最令人費解的地方可能是，與玻色子不同，費米子有“複製品”。除了組成穩定或準穩定物質的費米子粒子外，我們還熟悉：
- 質子和中子（由上下夸克和膠子的束縛態組成）
- 原子（由原子核構成，由質子、中子和電子組成）
- 以及電子中微子和電子反中微子（在核反應中產生，涉及到先前存在的核組合的形成或衰變）。
每一種都有兩代更重的粒子。除了3種顏色的上下夸克和反夸克外，還有魅力和奇異夸克加上頂部和底部夸克。除了電子、電子中微子及其反物質對應物外，還有μ子和μ子中微子，以及τ和τ中微子。
- 上圖：大型強子對撞機阿特拉斯探測器中的四μ子候選事件。（從技術上講，這種衰變涉及兩個μ子和兩個反μ子）μ子/反μ子軌道以紅色突出顯示，因為長壽命μ子比任何其他不穩定粒子傳播得更遠。大型強子對撞機所獲得的能量足以產生希格斯玻色子；以前的正負電子對撞機無法獲得所需的能量。
由於某種原因，在標準模型中出現了三個費米子粒子的拷貝，或者說一代又一代。這些粒子的較重版本不是由傳統的粒子相互作用自發產生的，而是在非常高的能量下出現的。
在粒子物理學中，只要你有足夠的可用能量，你就可以創建任何粒子反粒子對。你需要多少能量？無論你的粒子質量是多少，你都需要足夠的能量來創造它和它的夥伴反粒子（它碰巧總是和它的對應粒子有相同的質量）。從愛因斯坦的E= mc²，它詳細說明了質量和能量之間的轉換，只要你有足夠的能量，你就可以製造它們。這正是我們如何從高能碰撞中產生各種類型的粒子，比如宇宙射線或大型強子對撞機中產生的粒子。
- 如圖所示，衰變的b介子衰變為一種輕子對的頻率可能比另一種更高，這與標準模型的預期相矛盾。如果是這樣，我們要麼修改標準模型，要麼在理解這些粒子的行為時加入一個新的參數（或一組參數），就像我們發現中微子有質量時需要做的那樣。
同樣的道理，每當你創造出一個不穩定的夸克或輕子（把中微子和反中微子放在一邊），它們總是有可能通過弱相互作用衰變為一個較輕的粒子。因為所有的標準模型費米子都耦合到弱力上，所以在下列任何粒子（奇怪的、魅力的、底部的或頂部的夸克，以及μ介子或τ輕子）衰變為穩定的第一代粒子之前，它只需要一小部分時間。
只要能量允許而不是被我們宇宙中的任何其他量子規則或對稱所禁止，較重的粒子總是以這種方式衰變。然而，最大的問題是，為什麼會有三代粒子呢，這不是由理論動機驅動的，而是由實驗結果驅動的。
- 上圖：第一次探測到的μ介子，連同其他宇宙射線粒子，但由於其速度和曲率半徑，其重量是數百倍。μ介子是被發現的較重一代的粒子中的第一個，一直追溯到20世紀30年代。
μ介子是費米子中最輕的，可以延伸到第一代粒子之外，當著名物理學家i.i.rabi看到這個粒子的證據時，他驚呼道：“是誰下令的？”在接下來的幾十年裡，隨著粒子加速器變得越來越普遍，越來越充滿能量，像介子和重子這樣的粒子，包括帶有奇怪夸克的粒子，以及後來被吸引的夸克，很快浮出水面。
然而，直到20世紀70年代slac的markⅠ實驗（共同發現了魅力夸克）的出現，才出現了第三代的證據：以τ子（和反τ子）的形式出現。從那以後，我們直接探測到了標準模型中的每一個粒子，包括所有的夸克、中微子和反中微子。我們不僅發現了它們，而且精確地測量了它們的粒子特性。
- 上圖：宇宙中的基本粒子的其餘質量決定了什麼時候以及在什麼條件下它們可以被創造，也描述了它們如何在廣義相對論中彎曲時空。粒子、場和時空的特性都是描述我們所居住的宇宙所必需的。
基於我們現在所知道的一切，我們應該能夠預測這些粒子是如何相互作用的，它們是如何衰變的，以及它們是如何對我們選擇研究的任何粒子的橫截面、散射振幅、分支比和事件率等產生影響的。
標準模型的結構使我們能夠進行這些計算，而標準模型的粒子含量使我們能夠預測較重的粒子將衰變為哪些輕粒子。也許最有力的例子是z玻色子，它是介導弱力的中性粒子。z玻色子是已知的第三大質量粒子，其剩餘質量為91.187gev/c²：幾乎是質子質量的100倍。每次我們創建一個Z-玻色子，我們可以實驗測量它會衰變成任何特定粒子或粒子組合的概率。
- 上圖：在大型電子-正電子對撞機lep上，產生了成千上萬個z玻色子，並測量了這些z粒子的衰變，以重建z玻色子的哪一部分變成了各種夸克和輕子組合。結果表明，在45gev/c²以下不存在第四代粒子。
通過研究我們在加速器中產生的Z-玻色子的分數，衰減為：
- 電子/正電子對，
- μ介子/反μ介子對，
- τ子/反τ子對，
- 以及“隱形”通道（即中微子）
我們可以確定有多少代粒子。事實證明，每30個z玻色子中就有1個衰變為電子/正電子、μ子/反μ子和τ/反τ對，而每5個z玻色子中就有1個衰變為不可見的。根據標準模型和我們關於粒子及其相互作用的理論，轉化為十五分之一的z玻色子（幾率約為6.66%）將衰變為三種中微子中的每一種。
這些結果告訴我們，如果存在第四代（或更多代）粒子，其中每一代粒子，包括輕子和中微子，其質量都大於45gev/c²：已知只有z、w、希格斯粒子和頂部粒子超過這個臨界值。
- 上圖：許多不同粒子加速器實驗的最終結果已經明確地表明，z玻色子衰變為帶電輕子的時間約佔10%，中性輕子衰變為帶電輕子的時間約佔20%，強子（含夸克粒子）衰變為帶電輕子的時間約佔70%。這與3代粒子一致，沒有其他數字。
現在，沒有什麼能阻止第四代粒子的存在，也沒有什麼能阻止第四代粒子比我們迄今所觀察到的任何粒子都要重得多；理論上，這是允許的。但是實驗上，這些對撞機的結果並不是限制宇宙中世代物種數量的唯一因素；還有另一個限制因素：在大爆炸早期創造的大量輕元素。
當宇宙大約一秒鐘大時，標準模型粒子中只有質子、中子、電子（和正電子）、光子、中微子和反中微子。在最初的幾分鐘裡，質子和中子最終會融合形成氘、氦-3、氦-4和鋰-7。
- 上圖：大爆炸核合成預測的氦-4、氘、氦-3和鋰-7的丰度，觀察結果顯示在紅圈內。請注意這裡的關鍵點：一個好的科學理論（大爆炸核合成）對應該存在和可以測量的東西進行了穩健的定量預測，測量結果（紅色）與理論的預測非常一致，驗證了它並限制了替代方案。這些曲線和紅線是針對3種中微子，或多或少會導致與數據嚴重衝突的結果，特別是氘和氦-3。
但它們會形成多少呢？這僅僅取決於幾個參數，比如重子與光子的比率，它通常被用來預測這些丰度，因為這是我們唯一改變的參數。
但我們可以改變任何參數，我們通常假設是固定的，例如中微子世代的數量。從大爆炸核合成，以及從大爆炸（宇宙微波背景）的餘下輻射輝光的中微子印記，我們可以得出結論，宇宙中有三個-不是兩個或更少，而不是四個或更多代。
- 上圖：中微子數與cmb漲落數據匹配所需的擬合。因為我們知道有三個中微子物種，我們可以利用這些信息來推斷在這些早期的無質量中微子的溫度等效性，並且到達一個數目：1.96 K，不確定度僅為0.02 K。
顯然，很有可能存在比我們現在所知道的標準模型預測的更多的粒子。事實上，考慮到宇宙的所有組成部分，從暗物質到暗能量，從膨脹到物質的起源，反物質的不對稱性，得出沒有額外粒子的結論實際上是不合理的。
但是，如果附加粒子作為附加的一代適應標準模型的結構，則會有巨大的限制。它們不可能在早期宇宙中被大量創造出來。它們中沒有一個可以比45.6 GeV/c²小。它們無法在宇宙微波背景或豐富的光元素中留下可觀察到的特徵。
實驗結果是我們瞭解宇宙的方式，但這些結果與我們最成功的理論框架相吻合的方式，是我們如何得出宇宙中還存在什麼和不存在什麼的結論。除非未來的加速器結果讓我們大吃一驚，否則三代粒子就是我們的全部：不多，不少，沒人知道為什麼。
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