Hiukkaskiihdyttimissä voi olla erilaisia teknisiä ratkaisuja, joilla kaikilla on omat etunsa ja haittansa. Lineaarikiihdytin on suora pitkä putki, joka soveltuu hyvin elektronien kiihdyttämiseen. Tällä hetkellä parhaat toimivat kiihdyttimet ovat kuitenkin rengasmaisia, joissa varattujen hiukkasten kulkua ohjaillaan erityisten taivutusmagneettien avulla. Tällä tavoin kiihdytetään elektroneja ja positroneja Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä, jossa 27:n kilometrin ympärysmittainen LEP-kiihdytinrengas antaa elektroneilla ja positroneille nopeuden, joka eroaa valon nopeudesta vain prosentin sadastuhannesosan verran. Kiihdytinrengas on maan alle kaivetussa tunnelissa Sveitsin ja Ranskan rajalla. Myös CERNin seuraava suuri koe, LHC, jossa kiihdytetään protoneita rakennetaan LEP-kokeen tunneliin. Suomalaiset tutkijat ovat osallisia sekä LEP- että LHC-kokeessa. Suuria kiihdyttimiä on myös Yhdysvalloissa sekä Japanissa.
LEP-kokeessa tarvittavat positronit ovat antiainetta, joita ei esiinny luonnossa kuten elektroneja. Siksi ne täytyy ensin tuottaa pienienergisimmissä hiukkastörmäyksissä, joiden lopputuotteista ne valikoidaan magneettien avulla ja johdetaan pienempään varastointirenkaaseen, jossa ne kiertävät kunnes ne sysätään varsinaisen kiihdytinrenkaaseen. Hiukkaskiihdytin koostuu siis tavallisesti joukosta eri kokoisia kiihdyttimiä, joista pienimmät toimivat eräänlaisina esikiihdyttiminä.
Miksi hiukkaskiihdyttimet sitten ovat niin suuria? Mitä suurempi energia, sitä pienempiä yksityiskohtia ja sitä raskaampia hiukkasia voidaan havaita. Hiukkaskiihdytin onkin eräänlainen mikroskooppi. Hiukkasmaailmassa vallitsevat kvanttifysiikan lait, ja niiden mukaan jokainen hiukkanen on samalla eräänlainen aalto, jonka aallonpituus on kääntäen verrannollinen hiukkasen energiaan. Mitä suurempi energia, sitä pienempi on siis aallonpituus, ja sitä pienempiä rakenteita voidaan luodata. Energian kasvattamiseksi hiukkaskiihdyttimien pitää olla mahdollisimman suuria, sillä kiihtyessään hiukkaset säteilevät osan saamastaan energiapotkusta saman ties pois.
Kun hiukkaset on saatu niin energisiksi kuin se kiihdyttimessä on mahdollista, ohjataan ne ulos kiihdytinrenkaasta ja annetaan törmätä. LEP-kiihdyttimessä näitä törmäyskohtia on neljä, ja jokaiseen kohtaan on rakennettu suuri hiukkasilmaisin. Suomalaiset olivat mukana LEPin DELPHI-nimisellä ilmaisimella suoritetussa tutkimuksessa. LHC-kokeessa ilmaisimia on kaksi, ATLAS ja CMS, ja suomalaiset osallistuvat myös näihin projekteihin.
Hiukkasilmaisimet ovat usean veturin kokoisia möhkäleitä, joiden sisässä on erilaisia järjestelmiä törmäyskohdasta sinkoutuvien hiukkasten havaitsemiseksi. Syntyvien hiukkasten rata voidaan konstruoida varattujen hiukkasten ilmaisimen väliaineeseen jättämien vuorovaikutusjälkien avulla, ja sähköisesti neutraalit hiukkaset puolestaan luovuttavat törmätessään energiansa, jonka suuruus voidaan mitata ns. kalorimetreissä. Joskus ilmaisin on magneettikentässä, joka kääntää positiivisesti ja negatiivisesti varattuja hiukkasia eri suuntiin ja helpottaa näin hiukkastunnistusta. Ilmaisinta ympäröi tavallisesti paksu metallikuori, joka pysäyttää kaikki muut hiukkaset paitsi myonit ja neutriinot, joista edelliset voidaan tunnistaa niiden sähkömagneettisten vuorovaikutusten avulla.
Hiukkastörmäyksiä tapahtuu sekunnin aikana jopa miljoonia, joten koko havaintoprosessi on automatisoitu. Ilmaisimen signaalit johdetaan tietokoneelle, joka rekisteröi törmäystapahtuman ja pyrkii identifioimaan syntyneet hiukkaset niiden lentoratojen perusteella. Tällöin hyödynnetään fysiikan koeteltuja säilymislakeja, joiden mukaan mm. törmäyksen kokonaisenergia säilyy. Tulosten tarkempi tietokonenalyysi kestää sitten kuukausia tai jopa vuosia. Myös ihmistyötä tarvitaan tavattomasti, ja hiukkaskokeet ovatkin suuria teollisia projekteja. LHC-kokeeseen osallistuu jo tuhansia fyysikoita.
Kosmisten säteiden sisältämien hiukkasten tutkiminen tuo myös arvokasta tietoa hiukkasmaailmasta. Auringosta tulevia neutriinoita voidaan nähdä mm. vedellä täytetyissä suurissa ilmaisintankeissa kun ne sysäävät liikkeeseen elektroneja, jotka väliaineessa kulkiessaan säteilevät. Tämä ns. Tserenkov-säteily voidaan sitten havaita herkkien valomonistinputkien avulla. Aurinkoneutriinot ovat antaneet viitteitä siitä, ettei hiukkasfysiikan standardimalli olisi aivan riittävä kuvailu hiukkasmaailmalle. Viimeisimmät tulokset japanilaisesta, kosmisia ja aurinkoneutriinoja havainnoivasta Kamiokan tutkimuskeskuksesta ovatkin vahvistaneet, että neutriinot muuttuvat kulkiessaan toisikseen. Kosmisia neutriinoita havaitaan myös Etelänavalla sijaitsevalla AMANDA-neutriinoteleskoopilla, jossa veden on korvannut kirkas jää.
Alkeishiukkasten ominaisuuksista voidaan saada tietoa hiukkaskokeiden luotaamien mikroskooppisten etäisyyksien sijasta myös koko maailmankaikkeuden ilmiasun perustella. Alkuräjähdysteorian mukaan se nimittäin riippuu alkeishiukkasten ensimmäisten minuuttien aikana kokemista vuorovaikutuksista. Tätä tutkii nuori tieteenala, hiukkaskosmologia.