Затем Вернер Кольхерстер сделал замеры на высоте более 9 км и обнаружил, что космическое излучение гораздо меньше поглощается атмосферой, нежели коротковолновые гамма-лучи, испускаемые земными радиоактивными минералами. Эти результаты не помешали Роберту Милликену 10 лет спустя выдвинуть гипотезу, согласно которой космическое излучение представляет собой гамма-лучи, то есть чистую энергию, порции-кванты которой испускаются в момент соединения водородных атомов из межзвездного пространства.
Впрочем, исследования конца 1920-х доказали: космические лучи состоят не из квантов энергии, а из материальных заряженных частиц. Измерения интенсивности космического излучения свидетельствовали о том, что на экваторе она минимальная, и у данного явления могла быть лишь одна причина: магнитное поле Земли «отгоняет» заряженные частицы в сторону. Более того, лучи проходили насквозь через 4-сантиметровый брусок золота, а на такое способны только материальные тела.
По отклонению в геомагнитном поле ученые пробовали также определить знак заряда космических частиц. Дело в том, что магнитное поле разводит пути положительных и отрицательных частиц в разные стороны, а так как с запада исходит более интенсивное излучение, чем с востока, итальянский физик Бруно Росси (1905–1993) приписал космическим частицам положительный заряд. Кроме того, ученый открыл, что космическое излучение, наблюдаемое на уровне моря, состоит из частиц двух видов: одни ведут себя как электроны и проходят сквозь толстые листы металла, но при этом больше весят и теряют меньше энергии (позже выяснилось, что это протоны); другие разбивают встречные тяжелые частицы и устраивают из них ливни.
В 1930-х американский физик Карл Андерсон (1905–1991) в ходе наблюдений за движением космических частиц в камере Вильсона (прибора, наполненного перенасыщенным паром, который проявляет траекторию движения заряженных частиц), увидел треки, направленные противоположно следам электронов, при этом не так круто изогнутые. Значит, излучение содержит положительные частицы, по величине заряда сравнимые с электроном, но с массой больше электронной и меньше протонной. Эти промежуточные частицы оказались мюонами.
К 1948 г. астрофизики окончательно разобрались, из чего сделаны космические лучи. Первичное излучение, исходящее из космоса, состоит преимущественно из протонов, а также ядер гелия (альфа-частиц); вторичное излучение, возникающее при взаимодействии первичного с земной атмосферой, содержит в себе электроны, мюоны и кванты энергии — фотоны.