Изучение космических лучей происходит на стыке астрофизики, ядерной физики и физики элементарных частиц. Под общим термином «космические лучи» физики подразумевают всю совокупность частиц внеземного происхождения, которые заполняют пространство вокруг Земли. Речь идет о частицах с очень высокой энергией, которая приблизительно в тысячу раз выше энергии частиц, вырабатываемой ускорителями.

Гипотеза о существовании корпускулярной формы излучения, источник которого находится вне нашей планеты, возникла в первом десятилетии XX века. Она появилась в результате изучения явления электрической проводимости в газах. Лабораторные исследования показали, что заряд в электроскопе не удерживается на его пластинках бесконечно. Согласно законам электростатики можно было бы объяснить лишь гипотетически, что не все частицы окружающего газа электрически нейтральны. Некоторые из них могут быть ионизированы, то есть заряжены положительно или отрицательно. Установив причины явления, попытаемся понять механизм ионизации воздуха. Вначале считалось, что это происходит из-за излучения, идущего от радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре (природная радиоактивность была открыта в 1 896 году французским физиком Анри Беккерелем). Однако эта гипотеза довольно скоро была отвергнута после проведенных на высоте экспериментов, показавших, что процент ионизации в атмосфере с высотой растет, пока не доходит до определенного уровня, и что земная радиоактивность играет в явлениях такого типа второстепенную роль. Единственным правдоподобным объяснением оказалось, таким образом, существование ионизирующего излучения в верхних слоях атмосферы, происхождение которого должно иметь неземную природу. Это излучение и назвали космическими лучами. Первым, кто выдвинул гипотезу о природе космических лучей, был английский физик Роберт Милликан. Он предположил, что они состоят из фотонов жесткого излучения — гамма-лучей, которые, проникая в атмосферу, взаимодействуют между собой. Милликан выдвинул гипотезу, что такие фотоны возникают в результате термоядерного синтеза, происходящего в межзвездном газе. Но эта теория через несколько лет была опровергнута. И вот в 1 929 году немецкие ученые Бете и Колхерстер показали, что космическое излучение имеет электрический заряд, из чего можно сделать вывод о его корпускулярной природе. Последующие эксперименты, проведенные в 30-х годах англичанином Патриком М. Блэкеттом и итальянцем Джузеппе Оккиалини, продемонстрировали, что космические частицы в состоянии образовывать следы из вторичных частиц. Эти работы наглядно показали, что взаимодействие происходит в самых верхних слоях атмосферы и что существует два типа космического излучения: первичное и вторичное. Космическое излучение состоит по большей части из заряженных частиц, на которые оказывает свое воздействие магнитное поле, в частности магнитное поле Земли. То есть можно говорить о существовании вокруг нашей планеты областей, таких, как «пояс Ван Аллена», где плотность заряженных частиц выше среднего уровня. В процессе исследований поведения космических лучей в магнитном поле Земли было установлено, что большая часть этих частиц заряжена положительно. В частности, это протоны (составляющие около 87%), атомные ядра (от водорода и гелия до более тяжелых ядер) и позитроны; небольшой процент составляют электроны и гамма-лучи. Проходя через земную атмосферу, составляющие первичного космического излучения вступают с ней во взаимодействие и, сталкиваясь с ядрами атомов, составляющих атмосферу, создают вторичное космическое излучение. До уровня моря первичное излучение не доходит, наблюдаются только составляющие вторичного излучения. Когда частица первичного космического излучения, например протон, сталкивается с атмосферным ядром, образуются атомы других элементов, порой радиоактивных. А некоторые другие, нестабильные, частицы, в том числе ц-мюоны и it-мезоны, живущие чрезвычайно короткое время, испускают, в свою очередь, позитроны и нейтроны, а также гамма-лучи, то есть излучение. До сих пор источники космического излучения являются неразгаданной тайной. В частности, все еще неясно, имеют ли они исключительно галактическое или внегалактическое происхождение. И почему Вселенная пронизана потоками этих частиц. Совсем малую часть космического излучения составляют гамма-лучи, а большую часть — заряженные частицы, чувствительные к действию магнитного поля Галактики, а также магнитных полей близких небесных тел. Таким образом, космические лучи постоянно отклоняются, что делает абсолютно невозможным определить направление, откуда они пришли. Конечно, как внутри, так и вне нашей Галактики есть такие тела, как активные галактические ядра, или пульсары, вокруг которых возникают особые явления, определяемые выбросом сильно заряженных энергией частиц.