Hvad er forholdet mellem partikelfysik og kosmologi?
Der er et intimt forhold mellem feltområderne partikelfysik og kosmologi, der er eksemplificeret af en lang række fysikere, der arbejder i begge samtidig: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne og mange andre. Kosmologi er studiet af universet og dets struktur, hvorimod partikelfysik er studiet af grundlæggende partikler som kvarker og fotoner, de mindste kendte genstande. Selvom de i første omgang kan virke så uforbundne, som alt andet kan være, er kosmologi og partikelfysik faktisk tæt forbundet.
I modsætning til de komplekse systemer på Jorden, som meget beskrives ved hjælp af forklaringer på højere niveau snarere end egenskaber, der kommer fra de laveste niveauer, er intergalaktiske og kosmologiske fænomener forholdsvis enklere. I de store rumafstande har for eksempel kun en af de fire naturkræfter nogen reel indflydelse: tyngdekraften. Selvom stjerner og galakser er meget langt væk og mange gange større end os selv, har vi et bemærkelsesværdigt præcist billede af, hvordan de fungerer, afledt af grundlæggende fysiske love, der dirigerer deres bestanddele.
Området for kosmologi, der er mest forbundet med partikelfysik, er studiet af Big Bang, den gigantiske eksplosion, der skabte alt stof i universet og den rumtid, som universet selv består af. Big Bang startede som et punkt på næsten uendelig tæthed og nulvolumen: en singularitet. Derefter udvides det hurtigt til størrelsen på en atomkerne, og det er her partikelfysik spiller ind. For at forstå, hvordan de tidligste øjeblikke af Big Bang påvirkede universet, som det er i dag, må vi bruge det, vi kender til partikelfysik, til at skabe plausible kosmologiske modeller.
En af motiverne til at skabe stadig stærkere partikelacceleratorer er at udføre eksperimenter, der simulerer de fysiske omstændigheder så tidligt som muligt i universets historie, når alt var meget kompakt og varmt. Kosmologer skal være velbevandrede inden for partikelfysik for at kunne yde betydelige bidrag til området.
En anden nøgle til at forstå forholdet mellem partikelfysik og kosmologi er at se på studiet af sorte huller. De fysiske egenskaber ved sorte huller er relevante for kosmos langsigtede fremtid. Sorte huller er sammenklappede stjerner med en så enorm tyngdekraft, at ikke engang lys kan undslippe deres greb. I et stykke tid troede man, at sorte huller ikke udsendte nogen stråling og ville have været evigt, et paradoks for fysikere. Men Stephen Hawking teoretiserede, baseret på indsigt fra partikelfysik, at sorte huller faktisk udsender stråling, som derefter blev døbt Hawking-stråling.
Partikelfysik er også meget relevant i undersøgelser af mørkt stof, usynlig stof, hvis eksistens er kendt på grund af dens gravitationspåvirkning på synligt stof, og mørk energi, en mystisk kraft, der gennemsyrer universet og får dens ekspansion til at accelerere. Dette er centrale spørgsmål i moderne kosmologi.