Weite Teile unseres Universums lassen sich durch thermische Prozesse beschreiben – wo ein klarer Zusammenhang zwischen einer Temperatur und der Energieverteilung der beteiligten Atome oder Teilchen herrscht. Die hinzugefügte Energie stammt zumeist aus Kernfusion und das abgestrahlte elektromagnetische Spektrum, sei es der kosmische Mikrowellenhintergrund, Röntgenstrahlung von Galaxienhaufen oder das Licht von Sonne und Sternen, wird meist gut durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben.

Im nicht-thermischen Teil des Universums sind wir weit ab von einem thermischen Gleichgewicht. Teilchen erlangen ihre teils immense Energie durch andere Prozesse, oft mit dem Resultat von Potenzspektren (dN/dE proportional zu E^-k) über viele Größenordnungen der Teilchenenergie E. Neben elektromagnetischer Strahlung, bis weit in den Bereich der Gammastrahlung hinein, werden auch die beschleunigten oder erzeugten Teilchen selbst abgestrahlt, z.B. Atomkerne und Elektronen, aber auch Neutrinos. Die Energie dafür stammt vielfach aus einem Sternkollaps, aus der Rotationsenergie von Neutronensternen oder aus der Akkretion von Materie in ein Schwarzes Loch, um nur einige Beispiele zu nennen.

Zu den Boten dieses nicht-thermischen Universums zählen insbesondere die als "Kosmische Strahlung" bezeichneten, energiereichen Teilchen, welche die Erde erst nach einem Irrweg durch unsere Milchstraße und darüber hinaus erreichen. Dabei handelt es sich zumeist um Atomkerne (von Protonen angefangen bis zu den schwersten Kernen) und Elektronen, aber auch Antiprotonen und Positronen sind darunter zu finden. Die Orte der Teilchenbeschleunigung und die dort ablaufenden Prozesse können wir aber besser über die elektromagnetische Strahlung (also Photonen) studieren, bis hin zu extrem energiereicher Gammastrahlung, die uns unbehindert von galaktischen und intergalaktischen Magnetfeldern direkt erreicht. Auch Neutrinos kämen dazu infrage, sind aber ungleich schwerer nachzuweisen.

Neben der offensichtlichen, aber nach über 100 Jahren immer noch ungeklärten Frage nach der Herkunft der Kosmischen Strahlung und Untersuchungen zu Beschleunigungsmechanismen finden sich auch Aspekte der Teilchenphysik im Forschungsprogramm wie die Suche nach Annihilation von Dunkler Materie oder dem Nachweis anderer eher hypothetischen Teilchen. Einige Beispiele der aktuell untersuchten Fragestellungen sind auf den Seiten des H.E.S.S.-Experiments dargestellt.

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit winziger Masse, von denen es drei Sorten gibt. Neben Photonen sind sie die häufigsten Teilchen im Universum, aber wir bemerken sie nicht, weil sie nur selten mit Materie wechselwirken. Ihr Nachweis erfordert empfindliche Detektoren mit bester Abschirmung gegen Störeinflüsse.

Beim Betazerfall, wenn ein Neutron in ein Proton und ein Elektron zerfällt, wird auch ein Antineutrino frei und es entsteht ein anderes Element. Manche Atomkerne, darunter das Germanium-Isotop ⁷⁶Ge, zeigen statt des einfachen den doppelten Betazerfall: es zerfallen zwei Neutronen gleichzeitig, mit zwei oder keinem Neutrino. Das GERDA-Experiment sucht nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall in reinen, stark mit ⁷⁶Ge angereicherten Germaniumkristallen. Sollte er möglich sein, ist der neutrinolose Doppelbetazerfall extrem selten. Bisher fand man keinen Hinweis auf den Zerfall – nur dass dessen Halbwertszeit in ⁷⁶Ge mindestens 10²⁶ Jahre beträgt. Mit mehr Germanium und längerer Messzeit hofft man, ihn doch noch zu finden – mit LEGEND, dem Nachfolgeprojekt.