“火源”就是一种“辐射源”（图片来源：veer图库）
为了确认辐射的来源，1910年，法国科学家沃尔夫带着更加灵敏而可靠的新型验电器登上324米高的埃菲尔铁塔，比较了塔顶和地面两种高度下的电离强度。他发现电离现象随着高度增加变弱，在塔顶的辐射大约是地面的64%。这一结果无疑支持了卢瑟福通过屏蔽验电器得出来的结论：辐射似乎来自地底。[2]
在沃尔夫的实验后，意大利物理学家帕西尼分别在陆地上、海上和热那亚海湾的水下用验电器做电离测量，发现水下的电离率比水面处略低，得出了与前人不同的结论，即大气中存在一种与地壳中的放射性物质无关的穿透性辐射。[3]
1912年8月，奥地利物理学家赫斯进行了一次十分重要的气球飞行。当他上升到5300米时，发现空气的电离速率增加到海平面的三倍左右！他得出结论，辐射是从上方进入大气层的，也就是说辐射源来自于天上。在1911至1913年期间，赫斯带着验电器一共飞行了10次，甚至利用日食与昼夜之间的测量对比，得出来太阳并不是射线的辐射源（如果是那应该叫做太阳射线）。
然而，赫斯大胆的结论在当时并不为所有人接受，因第一个测出电子电量而闻名的美国物理学家密立根就是其中的一位。密立根把探测器放在无人操作的气球上，在15000米的高空测到的辐射强度不到赫斯测量结果的四分之一。根据这个不同于赫斯的结果，密立根认为根本没有地球之外来的电离辐射，辐射都来自地面。不过他很快就被自己“打脸”了。
1926年，密立根在加利福尼亚州群山中的缪尔湖（海拔3392米）和慈菇湖（海拔1577米）的深处做实验，把探测器放在水下测量电离速率。通过比较电离速率与湖水深度的关系发现，同样水深的情况下，探测器在缪尔湖测得的电离速率会快于慈菇湖，只有将缪尔湖的探测器再往深处下放2米，两者的电离速率才接近。也就是说2米水深对辐射的吸收作用与近2000米的空气相当。
这一结果使密立根和更多的人信服了赫斯"辐射一定来自天上"的结论。这种辐射的射线实际上是来自宇宙的高能粒子而非来自地面的放射性物质，所以密立根为这些“射线”取名为"宇宙射线"。[4]
最终，赫斯的发现被证明是正确的，并获得了1936年的诺贝尔物理学奖，这也是宇宙线研究历史上的第一枚诺奖。赫斯的高空气球实验无疑是科学探索史上最为壮美的一次飞行。诺贝尔物理学奖委员会指出，“赫斯的发现开启了理解物质结构和起源的远景，证明了一种地球外穿透性辐射的存在——宇宙射线，比发现辐射的粒子性和辐射强度随高度变化更加根本” [5] 。
赫斯与他在气球实验中的照片(在气球里面的是赫斯)
原初宇宙线和次级宇宙线在上世纪20、30年代，很多物理学家在实验室中测量到了穿透性的宇宙线，这就是从宇宙来的信号吗？
还真不是。
现在我们把宇宙线分成原初宇宙线和次级宇宙线。原初宇宙线就是达到地球大气层，但是未与大气层相互作用的宇宙线；而原初宇宙线进入大气后，与大气中的原子核发生“碰撞”，产生次级粒子，形成了次级宇宙线。
当年的科学家经过了一段时间的探索，才发现宇宙线还分两种。
1928年随着盖革-米勒计数器，云雾室（图4）和符合测量技术发展，簇射（shower）的概念开始被提出[6]。云雾室中不同的径迹明显来自于同一顶点，即称为属于一个簇射。
1932年，意大利物理学家罗西等人的测量结果表明，粒子的簇射可以被品字形排布的三个盖革计数器符合观测到[6]；1933年，英国物理学家布拉凯特和意大利物理学家奥基亚利尼观察到了打在云雾室附近的单个高能宇宙线粒子与大气相互作用引发的多粒子径迹（图4下图），他们称这样的粒子倍增过程为簇射[6]。越来越多这样的独立的实验测量清晰地表明，簇射中的粒子有一个共同的源。
盖革-米勒计数器（上）和云雾室粒子径迹照片（下）
当时的人们普遍认为，空气中测量到的穿透性粒子是直接来自太空的原初宇宙线，就是这些粒子通过与空气原子核相互作用产生了簇射。但很快罗西曲线（图5）的测量表明这种猜想是错误的。
罗西实验用的是三个品字形排布的盖革-米勒计数器，计数器上面加了一层铅板[6]。这样的排布保证了单个沿直线飞行的粒子无法同时触发所有计数器，即至少要两个粒子才能同时触发三个计数器。其中一个粒子可能是入射粒子，另一个应该是入射粒子在铅板中产生的次级粒子。通过加盖不同厚度的铅板，测量符合计数率随铅板厚度的变化曲线。
最初铅板厚度增加时，符合计数率快速上升，说明入射粒子在铅板中发生了相互作用从而产生簇射；随着铅板厚度继续增加，符合计数率又快速减小，表明入射粒子在铅板中被逐渐吸收。而大气中的穿透性粒子的能量较高，在铅板中穿透的距离应该是在米量级，不会经过几厘米的衰减就使得其能量和数量发生明显改变。因此，这个实验的结果表明这些在铅板中引发簇射的入射粒子能量较低，不是之前发现的穿透性粒子。
经过不断研究，目前我们知道，引发簇射的粒子是原初宇宙线与大气相互作用产生的次级产物中的一部分，如电子和伽马光子。而穿透性粒子是次级产物中能量较高的部分，如缪子和强子。
