En 1912 Viktor Hess, un intrépido científico austríaco, comenzó una serie de arriesgados vuelos en globos aerostáticos, llegando a superar los 5000 metros de altura. A medida que ascendía, registraba un aumento significativo de cargas libres en la atmósfera; las moléculas de aire perdían electrones haciéndose conductoras de la electricidad. Estas mediciones demostraron la existencia de lo que Hess llamó ‘radiación penetrante proveniente del espacio’, pero no aportaron claves definitivas sobre su naturaleza. Arthur Millikan, conocido por su ingeniosa medición de la carga del electrón, los bautizó ‘rayos cósmicos’. Cósmicos por su evidente origen en el espacio exterior al sistema solar, y rayos porque sospechaba que se trataba de rayos gamma, la radiación electromagnética más penetrante conocida en esa época. Otros conjeturaban que los rayos cósmicos podrían ser partículas masivas y con carga eléctrica, como el electrón o el protón.

El dilema se resolvió a principios de la década de 1930, aprovechando un efecto análogo al que provocan las auroras boreales y australes. Estas son frecuentes solo cerca de los polos terrestres porque allí las partículas cargadas provenientes del Sol que hacen brillar a las moléculas de aire, atraviesan el campo magnético terrestre más fácilmente que cerca del Ecuador. Es de esperar entonces que, si los rayos cósmicos son partículas con carga eléctrica, su abundancia presente una marcada variación con la latitud magnética, ya que los menos energéticos (y más abundantes) serían desviados hacia los polos por el campo magnético terrestre. Este efecto fue observado en 1932 durante seis expediciones organizadas por Arthur Compton. Si los rayos cósmicos fuesen rayos gamma no se observaría esa variación, pues al no poseer carga eléctrica no serían desviados por los campos magnéticos.

Las mediciones de Compton resolvieron el dilema de si se trataba de rayos o de partículas (si bien el atractivo nombre de rayos cósmicos no fue dejado de lado), pero no identificaron claramente de qué partículas se trataba. En 1932 el belga George Lemaitre y el mexicano Manuel Sandoval Vallarta, e independientemente Bruno Rossi de Italia, predijeron una diferencia entre el número de rayos cósmicos procedentes del este o del oeste dependiente del signo de la carga eléctrica de las partículas. El efecto fue detectado al poco tiempo por Luis Álvarez y Arthur Compton en la ciudad de México. Quedó entonces firmemente establecido que la mayoría de los rayos cósmicos son partículas con carga del mismo signo que la del protón, es decir, opuesta a la del electrón.