1935 年，日本物理学家汤川秀树基于交换力概念，提出强相互作用中存在传递力量的介子，并估算其质量约为电子的 200 倍，介于电子与质子之间。

1937 年，已是助理教授的安德森与助手麦德尼，在实验室云室中观察粒子轨迹时，发现一条异常轨迹。

他们随即发表论文，指出要么现有理论存在局限，要么存在此前未被发现的新粒子。

当时部分物理学家如奥本海默认为，安德森观测到的高能量粒子轨迹，是狭义相对论框架下量子电动力学不再适用的结果，并非新粒子存在。

但汤川秀树看到论文后，第一时间认定这就是自己预言的介子，并在日本国内发表论文证实这一判断，还将宇宙射线中的这类粒子称为 “宇宙介子”。

但验证过程很快出现矛盾。

1939 年，汤川秀树进一步研究后发现两个关键问题。其一，按理论计算，他预言的介子寿命应为 10^-8 秒，但安德森发现的 “宇宙介子” 寿命约为 10^-6 秒，两者相差两个数量级。

其二，这类粒子与物质的相互作用极弱，无法承担强相互作用的传递任务，更像是 “大号电子”。

这类现象被称为 “介子佯谬”。

当时学界各执一词，有人认为理论有误，有人质疑实验数据。

日本物理学家坂田昌一曾师从仁科芳雄，后成为汤川秀树的学生，他提出双介子理论：宇宙射线中存在两种介子，汤川预言的介子会快速衰变为安德森发现的 “宇宙介子”，再缓慢衰变为电子与中微子。

1947 年，英国物理学家鲍威尔用感光乳剂技术验证了这一过程。

当时传统云室受场地限制难以开展高空实验，与需固定实验室环境的云室不同，感光乳剂便携性更强。

鲍威尔将感光乳剂搭载热气球送入高空，大幅减少地面干扰，清晰捕捉到了粒子衰变轨迹。

观测结果显示，宇宙射线中存在两种质量略大于电子的介子。

一种质量为电子的 273 倍，寿命约 2.6×10^-8 秒，与汤川的理论计算完美吻合，这就是 π 介子。

另一种质量为电子的 207 倍，寿命约 2×10^-6 秒，也就是此前安德森发现的 “宇宙介子”，后来被命名为 μ 子，确实不参与强相互作用。

这一发现直接证实了汤川的介子理论与坂田的双介子假说。

汤川秀树因此获得 1949 年诺贝尔物理学奖，鲍威尔则凭借 π 介子的发现，在 1950 年斩获诺贝尔物理学奖。

安德森此前已因正电子的发现获得诺奖，未能再次获奖，成为物理学史一段颇具趣味的插曲。

值得一提的是，中国物理学家张文裕是首个证实 μ 子不参与强相互作用的学者。

他曾在剑桥卡文迪许实验室深造，是卢瑟福的学生，也是我国宇宙射线与高能实验物理的开创者之一。

1948 年，张文裕不仅证明了 μ 子的弱相互作用特性，还成功用 μ 子替换原子中的电子，制备出 μ 原子，进一步明确了 μ 子与电子的相似性。

π 介子与 μ 子质量相近、发现时间接近，却属于完全不同的粒子类别。

随着这类粒子不断被发现，基本粒子的版图不断扩大，也让学界对粒子物理的探索进入了全新的阶段。