Với sự phát hiện ra neutron và bằng chứng mạnh mẽ rằng neutrino cũng có thực, các nhà vật lí nhận ra rằng thế giới hạ nguyên tử phức tạp hơn so với cái họ đã tưởng tượng. Có thể nào việc khám phá ra hai hạt trung hòa đó là sự khởi đầu của một xu thế mới? Nghiên cứu về tia vũ trụ trong thập niên 1930 sẽ cho thấy rằng đáp án cho câu hỏi đó là một tiếng ‘yes’ vang rền!Như đã lưu ý trong chương 3, nhà vật lí người Mĩ Card Anderson tại Caltech đã bắt đầu nghiên cứu của ông về tia vũ trụ vào năm 1930 khi còn là học trò của vị giáo sư danh tiếng Robert Millikan. Anderson sớm nổi lên là một trong những nhà nghiên cứu tia vũ trụ hàng đầu của thế giới. Không giống như những nhà khoa học trước đó đã phát hiện ra tia vũ trụ ở cao phía trên bề mặt Trái đất, Anderson chế tạo thiết bị để nghiên cứu chúng trong một phòng thí nghiệm trên mặt đất. Millikan đã đọc qua một số vết tích buồng mây hấp dẫn trong các thí nghiệm 1927-28 thực hiện bởi Dmitri Skobeltzyn ở Leningrad, Liên Xô (ngày nay được gọi theo tên nguyên gốc của nó là Saint Petersburg, Nga).

Skobeltzyn đang nghiên cứu tương tác của tia gamma với electron. Ông đặt buồng mây của mình trong một từ trường mạnh, làm cho các hạt tích điện đi theo quỹ đạo cong. Các hạt tích điện sinh ra ion khi chúng đi qua buồng, và khi áp suất giảm đột ngột, những giọt hơi nước nhỏ xíu hóa đặc xung quanh các ion, tiết lộ đường đi của các hạt. Hướng cong của quỹ đạo cho biết chúng tích điện dương hay âm, và hình dạng cong cho phép ông tính ra xung lượng của chúng. Xung lượng của chúng càng lớn, thì chúng bị cong càng ít. Các hạt trung hòa không tạo ra bất kì ion nào, nên chúng không để lại vết tích. Ngoài việc lưu ý đường đi của các electron, Skobeltzyn báo cáo có một vài quỹ đạo hầu như là đường thẳng. Cho dù cái gì tạo ra chúng thì cũng đang chuyển động rất nhanh. Ông lí giải rằng những hạt ấy là electron đã bị va đạp bởi những tia gamma vũ trụ năng lượng rất cao, nhưng ông không thể nói thêm điều gì hơn thế.

Dự án của Anderson là xây dựng một buồng mây có thể nghiên cứu những hạt năng lượng cao đó. Nó đòi hỏi từ trường mạnh hơn nhiều so với buồng của Skobeltzyn. Với sự hỗ trợ của một số kĩ sư, ông đã chế tạo ra một nam châm điện làm nguội bằng nước rất mạnh. Những kết quả đầu tiên của ông xuất hiện năm 1932, và chúng rất đáng chú ý. Các nhà vật lí đã giả sử rằng tia vũ trụ chủ yếu là những electron bị đánh bật ra khỏi nguyên tử bởi tia gamma đến từ vũ trụ bên ngoài, nhưng Anderson phát hiện ra số lượng hạt mang điện dương và âm bằng nhau. Lúc đầu, Millikan nghĩ rằng các ion dương là những proton đang chuyển động chậm. Nhưng những hạt chuyển động chậm để lại vết tích dày hơn cái Anderson đang trông thấy. Anderson đề xuất rằng chúng là những electron đang chuyển động hướng lên thay vì hướng xuống như họ trông đợi. Các đường đi có thể nhìn thấy, nhưng không có gì cho các thực nghiệm biết được các hạt đã đi theo đường nào. Họ cần có những phép đo tốt hơn để đưa ra kết luận chắc chắn.

Ảnh chụp đầu tiên vết tích hạt mang điện dương để lại của Carl D. Anderson, cái xác nhận sự tồn tại của các phản hạt. (Ảnh: C. D. Anderson, AIP Emilio Segrè Visual Archives)

Anderson đã cải tiến cơ cấu thí nghiệm của ông bằng cách thêm một tấm chì để làm chậm các hạt khi chúng đi qua. Bằng cách đó, ông có thể nói được chúng đang chuyển động hướng lên hay hướng xuống. Kết quả cho thấy cả Anderson lẫn Millikan không có người nào hoàn toàn đúng cả, cũng không có người nào hoàn toàn sai. Các hạt ấy mang điện dương và đang chuyển động hướng xuống như Millikan nói, nhưng, đúng như Anderson nghĩ, chúng lại nhỏ hơn nhiều và đang chuyển động nhanh. Nhỏ đến mức nào? Khối lượng của chúng hóa ra bằng với khối lượng electron. Chúng là positron, phản hạt của electron mà lí thuyết của Dirac đã tiên đoán nhưng không ai trông đợi chúng tồn tại! Cho khám phá đó, Anderson cùng nhận giải thưởng Nobel Vật lí năm 1936 với Victor Hess, người đã xác nhận sự tồn tại của tia vũ trụ bằng cách can đảm bay lên những cao độ lớn trong một khí cầu không khí nóng vào năm 1912.

Năm 1936 còn là một năm đáng nhớ đối với Anderson xét theo một ý nghĩa khác. Ông và người đồng nghiệp Seth Neddermeyer đang nghiên cứu tia vũ trụ trong buồng mây của họ thì họ quan sát thấy một loại hạt có khối lượng lưng chừng giữa khối lượng của electron và proton. Họ gọi nó là mesotron để biểu thị khối lượng trung bình của nó. Mesotron xuất hiện ở cả hai biến thể dương và âm, và cả hai biến thể có cùng khối lượng, gần với giá trị Yukawa trông đợi cho các hạt trong lí thuyết của ông.

Khám phá này đã mang sự chú ý thích đáng đến cho công trình của nhà lí thuyết người Nhật, nhưng khi Anderson và những người khác càng khảo sát kĩ về mesotron, các hạt ấy càng kém phù hợp với lí thuyết của Yukawa. Nếu chúng là nguyên nhân cho lực hạt nhân, thì chúng có lẽ phải tương tác mạnh với hạt nhân, nhưng không có tương tác nào như thế được trông thấy. “Ai đã sắp xếp cái đó?”, nhà vật lí hạt nhân người Mĩ Isidor I. Rabi đã hỏi câu hỏi nổi tiếng đó khi người ta biết rõ rằng mesotron hành xử giống như những hạt electron và positron cỡ lớn. Câu hỏi đó vẫn để mở cho đến năm 1947, khi các hạt tiên đoán của Yukawa cuối cùng được tìm thấy (xem chương tiếp theo). Mesotron được đặt tên lại là muon, vì các nhà khoa học đang gọi những hạt lực mạnh của Yukawa là meson. Sau này, thuật ngữ meson được mở rộng để bao gồm toàn bộ họ hàng các hạt hạ nguyên tử, kể cả các hạt của Yukawa, chúng được đặt tên là pion, hay meson pi. Năm 1949, công trình của Yukawa được ghi nhận với giải thưởng Nobel vật lí.