Todo lo que nos rodea, nuestro planeta entero, los demás planetas del Sistema Solar, el Sol, las estrellas y lo que alcanzamos a ver con telescopios, está hecho de las mismas cosas: electrones, protones y neutrones. Por supuesto, para poder ver con nuestros ojos todas estas cosas necesitamos de otras partículas: los fotones, es decir, la luz. Pero también presentes a nuestro alrededor hay otras partículas que tienen vidas muy efímeras o que en definitiva es muy difícil que tengan una interacción con nosotros. Muones, piones, kaones, positrones y neutrinos son el nombre de algunas de estas.

La forma en que estas partículas interactúan entre sí y se organizan para formar la materia viene de interacciones fundamentales: la interacción electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. La interacción electromagnética es la que se encarga de que un electrón, con carga negativa, sea atraído por un protón, con carga positiva, para formar un átomo de hidrógeno, el elemento químico más ligero. Así, en un átomo de helio hay dos protones y por lo tanto debe haber dos electrones. Pero si dos protones tienen carga positiva y la electrostática nos dice que dos cargas iguales se repelen, ¿cómo es que pueden estar juntos? Ahí entra la interacción nuclear fuerte.

La interacción nuclear fuerte solo se da entre protones y neutrones. Así, para que el núcleo de helio sea estable, la interacción fuerte entre los protones tiene que apoyarse con la interacción fuerte de uno o dos neutrones. Los neutrones no tienen carga eléctrica, así que ayudan a contener la repulsión electrostática de los protones.

En cada uno de los elementos químicos hay el mismo número de protones que de electrones y si hay más protones entonces hay más neutrones, incluso superando el número de protones. Así, por ejemplo, en el núcleo de un átomo de plata hay 47 protones y puede haber hasta 62 neutrones. Si en el núcleo de un cierto elemento hay exceso o deficiencia de neutrones, ese átomo se puede volver inestable y emitir radiación. Ahí es donde entra la interacción débil.

En ciertos núcleos atómicos donde hay exceso de neutrones existe un proceso donde uno de los neutrones se transforma en protón emitiendo un electrón y un neutrino. Por otro lado, en núcleos atómicos donde hay exceso de protones, uno de los electrones de ese átomo puede ser capturado transformando uno de los protones en neutrón y emitiendo un neutrino. Los neutrinos son partículas sin carga eléctrica pero con una masa extremadamente pequeña, tanto que hasta finales del siglo pasado se creía que no tenían.

Cuando los protones y neutrones se mueven con muy alta energía, es decir, con velocidades cercanas a la velocidad de la luz, y colisionan entre ellos, es cuando pasan cosas extrañas, porque resulta que neutrones y protones no son partículas fundamentales. En realidad, estos están formados por quarks. Hay seis tipos o "sabores" de quark: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) y top (t). Los protones están formados por dos quarks u y un quark d, mientras que los neutrones los forman dos d y un u.

A protones y neutrones, de forma general, se les llama hadrones. Cuando dos hadrones chocan con mucha energía pueden producir piones, que son partículas compuestas por un quark y un antiquark. Estos piones pueden tener carga positiva, negativa o ser neutros. Los piones neutros rápidamente decaen en rayos gamma, es decir, fotones de muy alta energía. Un pión con carga eléctrica decae en una partícula llamada muón y un neutrino. El muón tiene las propiedades de un electrón, pero es unas 200 veces más pesado y también es una partícula inestable, la cual dependiendo de su carga eléctrica puede decaer en un electrón o un positrón, emitiendo más neutrinos. Además de piones, hay otras partículas formadas por pares quark-antiquark; a todas estas se les llama mesones. Por otro lado, a los electrones y muones, junto con otras partículas con carga eléctrica, se les llama leptones.

Todas estas partículas y sus interacciones están descritas en lo que se llama el Modelo Estándar. En este marco teórico se establecen las reglas que siguen los quarks para formar hadrones y mesones y cómo estos interactúan con los leptones.

Gracias a instrumentos como la cámara de niebla, los científicos empezaron a identificar la composición de los rayos cósmicos. Pudieron ver que había electrones y rayos gamma, pero había una partícula con la misma masa del electrón que en presencia de un campo magnético se desviaba en dirección opuesta al electrón, por lo que debía tener la carga opuesta. Así, gracias a los rayos cósmicos, se descubrió el positrón, la primera observación de la antimateria. También notaron que había otra partícula que se comportaba como el electrón, con la misma carga eléctrica, pero con una masa mayor: el muón. Posteriormente se descubrieron el pión y el kaón, y se comprendió que estas partículas eran resultado de colisiones de núcleos atómicos en la atmósfera: en la superficie de la Tierra detectamos rayos cósmicos secundarios, producidos por rayos cósmicos primarios interactuando con la atmósfera terrestre.

Ahora se sabe que alrededor del 89% de los rayos cósmicos primarios son núcleos de hidrógeno, es decir, protones, seguidos de núcleos de helio en un 10%; el 1% restante son núcleos más pesados y electrones. Todos llegan a la Tierra en un rango muy amplio de energías: desde miles de millones de eV (GeV) hasta miles de billones (TeV). No todas las energías llegan con la misma intensidad: si los rayos cósmicos de GeV llegan a razón de uno por segundo por metro cuadrado, los de TeV llegan a razón de uno por año por kilómetro cuadrado.

Cuando un protón colisiona con un núcleo en la atmósfera produce piones que a su vez decaen en muones y neutrinos, los cuales alcanzan la superficie de la Tierra. De ahí que haya un flujo casi constante de decenas de miles de muones por metro cuadrado por minuto al nivel del mar. Este flujo aumenta con la altura, ya que hay menos atmósfera que absorba estos rayos cósmicos.

Además de la atmósfera, el campo magnético de la Tierra es un escudo adicional contra los rayos cósmicos, o por lo menos contra los de menor energía. Los rayos cósmicos con carga eléctrica son desviados por el campo magnético: algunos son deflectados de vuelta al espacio y otros se "enrollan" alrededor de las líneas de campo y se mueven hacia los polos.