宇宙中存在着一些无法由更小的物质构成的基本粒子。原子是由原子核和电子组成的，电子是基本粒子，但原子核并不是，它是由质子和中子构成的。质子和中子实际上是由基本粒子——夸克和胶子组成的。夸克和胶子之间的相互作用是由粒子物理学的标准模型所描述的。标准模型包含了17种基本粒子：六种夸克、六种轻子、四种规范玻色子以及希格斯玻色子。
早在上个世纪八十年代，物理学家就书写了标准模型，但直到2012年在大型强子对撞机中找到希格斯玻色子，标准模型中的所有17个粒子才全部被找到。标准模型还描述了自然界中四种基本力的其中三种——强核力、弱核力和电磁力。但是它并没有解释引力，引力由爱因斯坦提出的广义相对论所描述。尽管标准模型如此的成功，但是还有许多问题是它无法解释的，例如：中微子为什么有质量？为什么物质多于反物质？
为什么我们观测到宇宙在加速膨胀？为什么观测到的星系旋转速度比理论计算的结果大？关于后面两个问题，存在一个解决方案。假设在宇宙中存在一些物质，它们既不发射也不吸收普通物质粒子，却又可以产生引力相互作用，那就可以解释许多质量缺失的问题。这些物质就是所谓的暗物质。暗物质不是普通物质，不是星系，不是反物质，不是星系尺寸的黑洞。
宇宙的成分：暗物质约为26.8%，暗能量约为68.3%，而我们熟悉的普通物质（比如行星、恒星等）只占4.9%。有一些理论试图解释暗物质可能是什么，比如超对称、额外维度、中微子等。我们能通过实验探测到暗物质吗？一种可能性是在对撞机中将普通物质粒子相互对撞。如果一些能量或动量消失了，那么就很可能是产生了暗物质。第二种可能性是通过间接探测。
如果真空中暗物质湮灭产生了标准模型中的粒子，我们就会看见比预期中更多的物质，从而推测是暗物质产生了这些粒子。第三种可能性就是直接探测了。探测猜想中构成暗物质的大质量弱相互作用粒子（WIMP）是否会与普通物质发生相互作用，并留下什么蛛丝马迹。如果我们想要更好的从理论上解释暗物质，想要超越标准模型，必须首先更好地理解标准模型做出了哪些预测。
例如，一个暗物质粒子与原子核碰撞后会反冲，但是为了让观测到碰撞的概率最大化，实验中会使用重的原子核，例如有着100个核子的原子核。质子是组成原子核的粒子，是太阳发生核聚变发光发热的能量之源，是在宇宙大爆炸最初产生元素的基础。原子核中的质子比中子质量小0.1%，这对于生命的存在至关重要，如果情况反过来，就不会有带负电的电子绕着带正电的质子旋转形成的稳定原子，也就不会有这之后的一切物质了。
但是对于质子的大小问题，理论预测和实验观测的结果却有着相当大的差异，可以达到大约4%的水平（只有0.5%的不确定性）。这自然令理论物理学家深感不安。