Hiukkasfysiikan ja kosmologian alojen välillä on läheinen suhde, josta esimerkki on pitkä rivi fyysikkoja, jotka työskentelevät molemmissa samanaikaisesti: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne ja monet muut. Kosmologia on maailmankaikkeuden ja sen rakenteen tutkimus, kun taas hiukkasfysiikka tutkii perushiukkasia, kuten kvarkkeja ja fotoneja, pienimpiä tunnettuja esineitä. Vaikka aluksi ne voivat tuntua niin riippumattomilta kuin mikä tahansa voi olla, kosmologia ja hiukkasfysiikka liittyvät itse asiassa läheisesti toisiinsa.
Toisin kuin maapallon monimutkaisissa järjestelmissä, joita kuvataan paljon korkeamman tason selityksillä kuin alimmilta tasoilta nousevilla ominaisuuksilla, galaksienväliset ja kosmologiset ilmiöt ovat suhteellisen yksinkertaisia. Esimerkiksi suurilla avaruusetäisyyksillä vain yhdellä neljästä luonnonvoimasta on todellinen vaikutus: painovoima. Vaikka tähdet ja galaksit ovat hyvin kaukana ja monta kertaa suurempia kuin me, meillä on uskomattoman tarkka kuva niiden toiminnasta, joka perustuu niiden fyysisiin peruslakeihin, jotka ohjaavat niiden ainesosia.
Kosmologian ala, joka liittyy läheisimmin hiukkasfysiikkaan, on alkuräjähdyksen tutkimus, jättimäinen räjähdys, joka loi kaiken maailmankaikkeuden aineen ja avaruusajan, josta maailmankaikkeus itse koostuu. Alkuräjähdys alkoi lähes äärettömän tiheyden ja nollavolyymipisteenä: singulaarisuus. Sitten se laajeni nopeasti atomiytimen kokoon, jossa hiukkasfysiikka tulee peliin. Ymmärtääksemme, miten alkuräjähdyksen varhaisimmat hetket vaikuttivat maailmankaikkeuteen sellaisena kuin se on nykyään, meidän on käytettävä hiukkasfysiikasta tietämäämme luodaksemme uskottavia kosmologisia malleja.
Yksi motiiveista luoda yhä tehokkaampia hiukkaskiihdyttimiä on tehdä kokeita, jotka simuloivat fyysisiä olosuhteita mahdollisimman varhain maailmankaikkeuden historiassa, kun kaikki oli hyvin kompakti ja kuuma. Kosmologien on oltava hyvin perehtyneitä hiukkasfysiikkaan voidakseen merkittävästi vaikuttaa kenttään.
Toinen avain hiukkasfysiikan ja kosmologian välisen suhteen ymmärtämiseen on tarkastella mustien aukkojen tutkimusta. Mustien aukkojen fysikaaliset ominaisuudet vaikuttavat kosmoksen pitkän aikavälin tulevaisuuteen. Mustat aukot ovat romahtaneita tähtiä, joilla on niin valtava painovoima, ettei edes valo pääse karkuun. Hetken ajateltiin, että mustat aukot eivät päästä säteilyä ja olisivat olleet ikuinen, paradoksi fyysikoille. Mutta Stephen Hawking teorioi hiukkasfysiikan oivallusten perusteella, että mustat aukot todellakin lähettävät säteilyä, jota myöhemmin kutsuttiin Hawking -säteilyksi.
Hiukkasfysiikka on myös erittäin tärkeä tutkittaessa pimeää ainetta, näkymätöntä ainetta, jonka olemassaolo tunnetaan sen gravitaatiovaikutuksen vuoksi näkyvään aineeseen, ja pimeää energiaa, salaperäistä voimaa, joka läpäisee maailmankaikkeuden ja saa sen laajentumisen kiihtymään. Nämä ovat keskeisiä kysymyksiä nykyaikaisessa kosmologiassa.