宇宙射线亦称为宇宙线，是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。主要的初级宇宙射线，来自深太空与大气层撞击的粒子，成分在地球上一般都是稳定的粒子，像是质子、原子核、或电子。但是，有非常少的比例是稳定的反物质粒子，像是正电子或反质子，这剩余的小部分是研究的活跃领域。
大约89%的宇宙线是单纯的质子或氢原子核，10%是氦原子核或α粒子，还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子，构成其余1%的绝大部分，例如β粒子，目前来源仍不清楚;γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。
粒子能量的多样化显示宇宙线有着广泛的来源。这些粒子的来源可以是太阳或其它恒星，或来自遥远的可见宇宙，由一些还未知的物理机制产生的。宇宙线的能量可以超过1020 eV，远超过地球上的粒子加速器可以达到的1012至1013 eV，使许多人对有更大能量的宇宙线感兴趣而投入研究。
经由宇宙线核合成的过程，宇宙线对宇宙中锂、铍、和硼的产生，扮演着主要的角色。它们也在地球上产生了一些放射性同位素，像是碳-14。在粒子物理的历史上，从宇宙线中发现了正电子、μ和π介子。
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