Existe una íntima relación entre los campos de la física de partículas y la cosmología, que ha ejemplificado por una larga línea de los físicos que trabajan en ambos a la vez: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne, y muchos otros. La cosmología es el estudio del universo y su estructura, mientras que la física de partículas es el estudio de las partículas fundamentales, como los quarks y los fotones, los objetos más pequeños conocidos. Aunque en un principio pueden parecer tan ajeno como cualquier cosa puede ser, la cosmología y la física de partículas, de hecho, estrechamente vinculado.

A diferencia de los sistemas complejos en la Tierra, que mucho se ha descrito utilizando explicaciones de nivel superior en lugar de las propiedades emergentes de los niveles más bajos, los fenómenos intergalácticos y cosmológicas son comparativamente más simple. Por ejemplo, en las vastas distancias del espacio, sólo una de las cuatro fuerzas de la naturaleza tiene una influencia real: la gravedad. Aunque las estrellas y las galaxias están muy lejos y muchas veces más grande que nosotros mismos, tenemos una imagen muy precisa de cómo funcionan, derivada de las leyes físicas fundamentales que dirigen sus partículas constituyentes.

El dominio de la cosmología más estrechamente vinculado a la física de partículas es el estudio del Big Bang, la explosión gigantesca que creó toda la materia en el universo y el espacio-tiempo de la que el propio universo se compone. El Big Bang comenzó como un punto de densidad casi infinita y volumen cero: una singularidad. Entonces, se expandió rápidamente con el tamaño de un núcleo atómico, que es donde la física de partículas entra en juego. Para entender cómo los primeros momentos del Big Bang influyeron en el universo como lo es hoy, tenemos que usar lo que sabemos acerca de la física de partículas para crear modelos cosmológicos plausibles.

Una de las motivaciones para la creación de cada vez más potentes aceleradores de partículas es llevar a cabo experimentos que simulan las circunstancias físicas lo más temprano posible en la historia del universo, cuando todo era muy compacto y caliente. Los cosmólogos deben estar bien versados ​​en la física de partículas con el fin de hacer contribuciones significativas al campo.

Otra de las claves para entender la relación entre la física de partículas y la cosmología es buscar en el estudio de los agujeros negros. Las propiedades físicas de los agujeros negros son relevantes para el futuro a largo plazo del cosmos. Los agujeros negros son estrellas colapsadas con tan inmensa gravedad que ni siquiera la luz puede escapar de su alcance. Durante un tiempo, se pensaba que los agujeros negros emiten ninguna radiación, y habría sido eterna, una paradoja para los físicos. Pero Stephen Hawking teorizó, basado en ideas de la física de partículas, que los agujeros negros emiten radiación en efecto, lo que se denominó posteriormente la radiación de Hawking.

La física de partículas es también muy relevante en la investigación de la materia oscura, materia invisible cuya existencia es conocida por su influencia gravitatoria sobre la materia visible, y la energía oscura, una misteriosa fuerza que impregna el universo y hace que su expansión se acelere. Estas son las preguntas centrales de la cosmología moderna.

• Stephen Hawking teorizó que los agujeros negros no emiten radiación.
• The Big Bang Theory vincula la física y la cosmología.