反粒子的概念最早是由英國理論物理學家保羅·狄拉克(Paul Dirac)引入的。 1928年, 狄拉克寫出電子的相對論性波動方程, 即著名的狄拉克方程, 它將量子力學、狹義相對論和電子的自旋完美地結合在一起。狄拉克方程的解顯示電子波函數有四個分量, 其中兩個分量對應能量為正的電子的兩個自旋態, 而另外兩個分量對應的能量卻為負。如果存在負能量的量子態, 那麼我們看到的所有具有正能量的電子就都會躍遷到負能量態。為了解決這個問題, 狄拉克假設負能量態已全部被電子佔滿, 而泡利不相容原理保證系統中任意兩個電子不能處於同一狀態, 因此電子從正能量態到到負能量態的躍遷被禁止。接著, 狄拉克意識到, 處於負能態的電子能夠吸收外界的能量而躍遷到正能態, 那麼負能態的電子海洋中就留下一個空穴。空穴就像帶一個單位正電荷且質量與電子相等的基本粒子, 它就是電子的反粒子。1932 年, 美國實驗物理學家卡爾· 安德森(Carl Anderson)在宇宙線實驗中清晰地觀測到電子的反粒子, 即正電子, 並因此獲得1936年諾貝爾物理學獎。
值得一提的是, 我國著名的物理學家趙忠堯先生在1930年研究硬伽馬射線與物質相互作用時發現伽馬射線的吸收有反常的現象, 而且伴隨著吸收還有額外的光輻射信號。在安德森發現正電子之後, 人們才意識到額外的光輻射正是由電子與正電子湮滅產生的。
反粒子或反物質的發現對整個粒子物理學的發展以及我們對宇宙的認識都產生了深遠的影響。1947年, 英國實驗物理學家塞西爾·鮑威爾(Cecil Powell)等人在宇宙線實驗中發現日本理論物理學家湯川秀樹(Hideki Yukawa)預言的傳遞核子間強相互作用的π+和π-介子, 它們是自旋為零的玻色子且互為反粒子。狄拉克的空穴理論顯然不適用於玻色子, 因為沒有泡利不相容原理來禁止正能量態的粒子躍遷到負能態。當然, 現在我們知道, 正確理解反粒子需要相對論性量子論, 而負能態和狄拉克的空穴理論都是不必要的。狄拉克在1933年諾貝爾獎演講中介紹電子和正電子的理論, 並闡述他對宇宙中的物質和反物質的理解: 「如果正電荷與負電荷之間的對稱性是自然界的基本規律, 那麼我們就必須承認地球乃至整個太陽系都是由電子和質子組成的事實只是於偶然。宇宙中很有可能存在某些恆星, 它們是由正電子和反質子構成的。事實上, 由物質和反物質組成的恆星也許各佔一半。因為這兩類恆星將呈現出完全相同的光譜, 所以目前的天文學觀測手段無法區分它們」。然而, 天文和宇宙學觀測表明今天的宇宙中確實只存在物質而沒有反物質。直到今天, 物理學家們仍然無法理解宇宙中的物質-反物質不對稱, 這個問題也被稱作反物質消失之謎。
如前所述, 電子的反粒子是正電子, 它攜帶的電荷與電子的大小相等但符號相反。粒子物理標準模型告訴我們電荷守恆來自規範對稱性, 因此電荷是描述基本粒子屬性的好量子數。然而, 中微子是電中性的, 那麼它與自身的反粒子該如何區分呢? 標準模型中還存在一種偶然的守恆律, 比如說輕子數守恆, 它不對應任何基本的對稱性。 簡單來講, 如果規定電子和電子型中微子的輕子數為+1, 那么正電子和電子型反中微子的輕子數就是-1, 其他粒子的輕子數為零。至今, 所有實驗都滿足輕子數守恆, 即物理過程中初末態粒子的輕子數之和相等。自然界中存在輕子數破壞的過程嗎? 如果輕子數不守恆, 我們就不能用它來區分中微子和反中微子, 那麼中微子是否可以就是它自己的反粒子呢? 目前我們還沒有答案。