Antimatērijai un matērijai visas īpašības, piemēram, to masa un savstarpējā mijiedarbība, ir vienādas, izņemot lādiņus, kuri antidaļiņām ir pretēji nekā matērijas daļiņām. Antimatērija, saduroties ar matēriju, anihilē, – antidaļiņa un daļiņa viena otru iznīcina, un šajā procesā izdala enerģiju fotonu veidā. Gan daļiņas, gan antidaļiņas var rasties tikai divos veidos – no enerģijas radot daļiņas un tās antidaļiņas pāri vai arī daļiņu sabrukšanas procesā.

Matērija ir viss, kas sastāv no daļiņām, kuras aizņem telpu. No elementārdaļiņām tie ir tikai fermioni – kvarki un leptoni. Katram kvarkam un leptonam eksistē tā antidaļiņa, kurai ir pretējs elektriskais lādiņš un pretēja hiralitāte, kas daļiņai nozīmē to, vai spins ir vērsts kustības virzienā vai pretēji tam. Savukārt spēku nesējdaļiņas iekļauj gan tādas daļiņas, kam eksistē antidaļiņas, gan tādas daļiņas, kuras ir pašas sev antidaļiņas, piemēram, fotoni.

Antidaļiņas ir tikpat stabilas, cik to matērijas ekvivalenti. Līdz ar to vienīgais ierobežojums antimatērijas uzglabāšanai ir nodrošināt, lai daļiņa nesaskartos ar tās antidaļiņu. Antidaļiņa var anihilēt tikai ar tās matērijas pārinieku, līdz ar to mijiedarbībā starp atšķirīga veida daļiņu un antidaļiņu anihilācija nevar notikt.

Radot vai iznīcinot daļiņas un antidaļiņas, vienmēr tiek saglabāts elektriskais lādiņš. Citi nozīmīgi lielumi, kas saglabājas visos zināmajos procesos, ir leptonu skaitlis un kvarku skaitlis. Leptonu skaitlis veidojas, no leptonu skaita atņemot antileptonu skaitu. Tas nozīmē, ka katrā procesā, kurā rodas papildu leptoni, ir jārodas arī tikpat daudziem antileptoniem, un arī otrādi, – leptons var izzust tikai tad, ja vienlaikus pazūd arī antileptons. Kvarkiem ir spēkā līdzīgs princips – kvarku skaitļa saglabāšanās, bet biežāk tiek izmantots barionu skaitlis, kas ir kvarku skaitlis dalīts ar trīs, jo vēsturiski pirms kvarku atklāšanas jau bija zināmi barioni – daļiņas, kas sastāv no trim kvarkiem, piemēram, protons un neitrons.

Feinmena diagrammās (Feynman diagrams) antidaļiņas tiek attēlotas kā daļiņas, kas virzās atpakaļ laikā, bet tas ir tikai paņēmiens, lai vienkāršotu aprēķinus. Šis paņēmiens izriet no tā, ka nomainīt daļiņu lādiņu un apgriezt to spoguļattēlā ir matemātiski ekvivalenti laika virziena apgriešanai.

Balstoties uz pieņēmumiem, matērija un antimatērija ir simetriskas, un, radot matēriju no enerģijas, tā rodas kā daļiņas-antidaļiņas pāris. Būtu sagaidāms, ka Visuma sākumā pēc Lielā Sprādziena rastos vienāds daudzums matērijas un antimatērijas, kas savstarpēji anihilētu. Tomēr šie pieņēmumi nesakrīt ar faktu, ka visapkārt ir tikai matērija. No attiecības starp fotonu skaitu un matērijas daļiņu skaitu ir iespējams secināt, ka Visuma sākumā uz katriem 1,6 miljardiem antidaļiņu ir bijuši 1,6 miljardi un viena daļiņa. No šīm dažām palikušajām daļiņām ir veidots viss, kas šobrīd ir Visumā.

Šī neatrisinātā fizikas problēma liek meklēt nepilnības esošajā daļiņu fizikas teorijā – elementārdaļiņu standartmodelī. Matērijas-antimatērijas asimetrija nozīmē, ka kādā brīdī ir tikusi pārkāpta kvarku skaitļa vai leptonu skaitļa saglabāšanās. Lai gan šādi procesi nav novēroti, ir hipotētiski modeļi, kas arī standartmodelī pieļauj procesu, ko sauc par sfaleronu (sphaleron), kas augstas enerģijas apstākļos ļautu pārvērst leptonus par barioniem vai pretēji. Vēl viens nepieciešams kritērijs matērijas-antimatērijas asimetrijai ir lādiņa-paritātes simetrijas (Charge-Parity symmetry, CP symmetry) laušana. Lādiņa-paritātes simetrija ir pieņēmums, ka, nomainot daļiņām lādiņus uz pretējiem un pasauli pārvēršot par tās spoguļattēlu, visi fizikas likumi strādās tāpat. Simetrijas laušana nozīmē, ka tā ir tikai aptuvena un ne vienmēr izpildās. Lai gan ir novēroti procesi, kuros nav spēkā lādiņa-paritātes simetrija, tomēr neviens no šiem procesiem neietver tik ievērojamu simetrijas laušanu, kas spētu aprakstīt matērijas-antimatērijas asimetriju.

Šobrīd vienīgā antimatērija Visumā ir vai nu radusies enerģētiskās daļiņu sadursmēs, vai arī tie ir pozitroni, kas radušies beta pozitīvās radioaktīvās sabrukšanas procesā, piemēram, katrs banāns aptuveni ik pa 20 minūtēm izdala pozitronu, jo satur dabā sastopamo kālija izotopu kāliju-40.

Antimatērijas pētniecības vēsture sākās 1928. gadā, kad britu fiziķis Pols Diraks (Paul Adrien Maurice Dirac) radīja vienādojumu elektrona aprakstam ar diviem atrisinājumiem. Viens no atrisinājumiem apraksta parastu elektronu ar pozitīvu enerģiju, bet otrā atrisinājumā elektrona enerģija ir negatīva, un tas ir neiespējami. Šo problēmu P. Diraks atrisināja 1931. gadā, secinādams, ka, veicot matemātiskas manipulācijas, negatīvās enerģijas atrisinājumu var arī pārvērst pozitīvas enerģijas atrisinājumā, kas tad aprakstītu daļiņu, kas ir līdzīga elektronam, bet ar pretēju lādiņu. Tas nozīmētu, ka eksistē pozitīvs elektrona ekvivalents – pozitrons, kas ir tā antidaļiņa. Tā pirmo reizi tika novērota 1932. gadā, kad Karls Andersons (Carl David Anderson) kosmiskajos staros novēroja daļiņu, kas bija ar elektrona masu, bet pozitīvu lādiņu. Antiprotona atklāšana bija sarežģītāka, ņemot vērā, ka tā radīšanai nepieciešams 1836 reizes vairāk enerģijas, jo tas ir 1836 reizes smagāks nekā pozitrons vai elektrons. Antiprotona radīšanai 1954. gadā tika radīts paātrinātājs “Bevatron”, kur arī gadu vēlāk pirmo reizi tika novēroti antiprotoni.

Antimatērijas īpašības tiek pētītas divos veidos – daļiņu paātrinātājos, salīdzinot, vai smagām daļiņām un to antidaļiņām ir līdzīgi sabrukšanas ceļi un vienādas masas, vai arī precīzos mērījumos ar zemas enerģijas antimatēriju.

Vienīgā vieta pasaulē, kur tiek iegūti auksti antiprotoni, ir Eiropas Kodolpētniecības organizācijas (angļu European Organization for Nuclear Research, franču Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, sākotnējais nosaukums – Eiropas Kodolpētniecības padome, franču Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) Antimatērijas rūpnīca (Antimatter Factory). Tur antiprotonus iegūst no sadursmes enerģijas, triecot augstas enerģijas protonus irīdija mērķī. Šis process nav īpaši efektīvs, jo tikai vienā no miljons protonu sadursmēm rodas antiprotons. Radītajiem antiprotoniem tiek samazināta enerģija divos daļiņu palēninātājos, līdz tie ir gana lēni jeb auksti, lai satvertu slazdā, kas sastāv no magnēta un elektrodiem. CERN Antimatērijas rūpnīcā atrodas seši eksperimenti.

1. Antimatērijas eksperiments: gravitācija, interferometrija, spektroskopija (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy, AEgIS). AEgIS primārais mērķis ir izmērīt brīvās krišanas paātrinājumu antiūdeņradim, bet šajā eksperimentā ir veikta arī pirmā lāzerdzesēšana pozitronijam (atomam, kas sastāv no elektrona un pozitrona). AEgIS programmā ir arī antiprotonisku atomu pētījumi. Antiprotonisks atoms ir atoms, kurš sastāv no normāla atoma kodola, ap kuru orbītā ir antiprotons. Viena no institūcijām AEgIS sastāvā ir arī Latvijas Universitāte.
2. Antiūdeņraža lāzera fizikas iekārta (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus, ALPHA). ALPHA eksperimentā ir veikts pirmais mērījums, kas pierāda, ka antimatērija tāpat kā matērija krīt uz leju, kā arī šī eksperimenta komanda ir veikusi spektroskopiskus mērījumus antiūdeņradim, un iegūtie rezultāti sakrīt ar ūdeņradi līdz 50 miljarddaļu precizitātei.
3. Barionu un antibarionu simetrijas eksperiments (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment, BASE). BASE salīdzina protonu un antiprotonu īpašības. Šajā eksperimentā ir izmērīts, ka protona un antiprotona masa ir identiska līdz 16 triljondaļu precizitātei un ka to magnētiskais moments ir vienāds līdz 1,5 miljarddaļai.
4. Atomu spektroskopija un lēno antiprotonu izmantošana sadursmēs (Atomic Spectroscopy And Collision Using Slow Antiprotons, ASACUSA). ASACUSA nodarbojas ar antiūdeņraža supersīkstruktūras spektroskopiju un antiprotoniska hēlija spektroskopiju. Šajos mērījumos ir iegūta masas attiecība elektronam un antiprotonam ar precizitāti, kas ir līdzīga elektrona un protona masas attiecībai. Šie mērījumi arī palīdz noteikt ierobežojumus vēl neatklātu spēku nesējdaļiņām.
5. Antiprotonu nestabilās matērijas anihilācijas eksperiments (antiProton Unstable Matter Annihilation, PUMA). PUMA plāno pārvietot slazdu ar antiprotoniem uz laboratoriju, kur tiek iegūti dažādi izotopi, lai izmantotu antiprotonu anihilācijas un lai pētītu to atomu kodolu struktūru pret kuriem tika veikta anihilācija.
6. Antimatērijas gravitācijas uzvedība miera stāvoklī (Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest, GBAR). GBAR mērķis ir veikt antiūdeņraža brīvās krišanas mērījumu.

Antimatērija nav tikai abstrakts jēdziens, ko pētī Visuma sākuma kontekstā. Elektrona antidaļiņa – pozitrons – tiek plaši pielietota vairākās nozarēs: medicīnā un materiālu zinātnēs.

Medicīnā tiek izmantota pozitronu emisijas tomogrāfija (positron emission tomography, PET). Tajā tiek izmantoti radioaktīvi izotopi, kas sabrūkot izdala pozitronu. Šis pozitrons tad anihilē, izdalot divus gamma fotonus, kurus uztver ap pacientu novietotie detektori. Novērojot divus vienlaikus pretējās pusēs pienākošus fotonus, atliek savienot to pozīcijas ar taisni, lai atrastu vietu, kur ir izdalījies sākotnējais pozitrons. Līdz ar to šī metode ļauj noteikt pozīciju ķermenī, kur nonācis radioaktīvais izotops, un, pielāgojot izotopu saturošo vielu, var izvēlēties, kam tieši ķermenī nepieciešams piesaistīties. Vēža diagnostikai tiek izmantota fluoru-18 saturoša glikoze, neiroloģiskiem izmeklējumiem – skābeklis-15 un kaulu augšanas izmeklējumiem – nātrija fluorīds ar fluoru-18.

Materiālu pētniecībā pozitronu kūlis tiek izmantots defektu noteikšanai. Šī metode balstās tajā, ka gan pozitroni, gan atomu kodoli ir pozitīvi, un līdz ar to pozitroni tiek atgrūsti no kodoliem kristālrežģī un koncentrējas defektos, kur iztrūkst atomi. Kad šie pozitroni anihilē, to radītos gamma starus var uztvert, un no tā noteikt defektu pozīcijas. Šī ir vienīgā metode, kas spēj detektēt atomu izmēru defektus, nosakot to izmēru un struktūru arī, ja defektu koncentrācija ir viens no 10 miljoniem. Šādi defekti mēdz rasties, piemēram, materiālam no radiācijas bojājumiem.