Zwischen den Gebieten der Teilchenphysik und der Kosmologie besteht eine enge Beziehung, die durch eine lange Reihe von Physikern veranschaulicht wird, die gleichzeitig in beiden arbeiten: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne und viele andere. Kosmologie ist das Studium des Universums und seiner Struktur, während die Teilchenphysik das Studium der fundamentalen Teilchen wie Quarks und Photonen, den kleinsten bekannten Objekten, ist. Obwohl sie auf den ersten Blick so unverbunden erscheinen mögen, sind Kosmologie und Teilchenphysik doch eng miteinander verbunden.
Im Gegensatz zu den komplexen Systemen auf der Erde, die viel eher mit Erklärungen auf höheren Ebenen beschrieben werden als mit Eigenschaften, die aus den untersten Ebenen hervorgehen, sind intergalaktische und kosmologische Phänomene vergleichsweise einfacher. In den weiten Entfernungen des Weltraums hat zum Beispiel nur eine der vier Naturkräfte einen wirklichen Einfluss: die Schwerkraft. Obwohl Sterne und Galaxien sehr weit entfernt und um ein Vielfaches größer sind als wir selbst, haben wir ein bemerkenswert genaues Bild ihrer Funktionsweise, abgeleitet von fundamentalen physikalischen Gesetzen, die ihre Bestandteile lenken.
Die Domäne der Kosmologie, die am engsten mit der Teilchenphysik verbunden ist, ist das Studium des Urknalls, der gigantischen Explosion, die die gesamte Materie im Universum und die Raumzeit, aus der das Universum selbst besteht, geschaffen hat. Der Urknall begann als ein Punkt nahezu unendlicher Dichte und null Volumen: eine Singularität. Dann dehnte es sich schnell auf die Größe eines Atomkerns aus, und hier kommt die Teilchenphysik ins Spiel. Um zu verstehen, wie die frühesten Momente des Urknalls das heutige Universum beeinflusst haben, müssen wir unser Wissen über die Teilchenphysik nutzen, um plausible kosmologische Modelle zu erstellen.
Eine der Motivationen für die Entwicklung immer leistungsfähigerer Teilchenbeschleuniger ist es, Experimente durchzuführen, die die physikalischen Gegebenheiten möglichst früh in der Geschichte des Universums simulieren, als alles noch sehr kompakt und heiß war. Kosmologen müssen sich in der Teilchenphysik gut auskennen, um wesentliche Beiträge auf diesem Gebiet zu leisten.
Ein weiterer Schlüssel zum Verständnis der Beziehung zwischen Teilchenphysik und Kosmologie ist die Untersuchung von Schwarzen Löchern. Die physikalischen Eigenschaften von Schwarzen Löchern sind für die langfristige Zukunft des Kosmos relevant. Schwarze Löcher sind kollabierte Sterne mit einer so immensen Schwerkraft, dass ihnen nicht einmal Licht entkommen kann. Eine Zeit lang dachte man, dass Schwarze Löcher keine Strahlung emittieren und ewig wären, ein Paradox für Physiker. Stephen Hawking theoretisierte jedoch, basierend auf Erkenntnissen aus der Teilchenphysik, dass Schwarze Löcher tatsächlich Strahlung aussenden, die später als Hawking-Strahlung bezeichnet wurde.
Die Teilchenphysik ist auch von großer Bedeutung für die Untersuchung von Dunkler Materie, unsichtbarer Materie, deren Existenz aufgrund ihres gravitativen Einflusses auf sichtbare Materie bekannt ist, und Dunkler Energie, einer mysteriösen Kraft, die das Universum durchdringt und seine Expansion beschleunigt. Dies sind zentrale Fragen der modernen Kosmologie.