Oggi è accertato che la radiazione primaria, cioè quella che dal cosmo incide sugli strati più alti dell'atmosfera, è costituita in gran parte da protoni veloci, con energie dell'ordine del GeV(*); inoltre la radiazione primaria contiene nuclei di elementi di basso numero atomico (elio, litio). Gli urti fra le particelle della radiazione primaria e i nuclei degli atomi di azoto ed ossigeno dell'atmosfera danno origine a molti processi secondari in cui vengono prodotte particelle di vario tipo.
I raggi cosmici sono particelle energetiche provenienti dallo spazio esterno, alle quali è esposta la Terra e qualunque altro corpo celeste, nonché; i satelliti e gli astronauti in orbita spaziale. La loro natura è molto varia (l'energia cinetica delle particelle dei raggi cosmici è distribuita su quattordici ordini di grandezza), così come varia è la loro origine: il Sole, le altre stelle, fenomeni energetici come novae e, supernovae, fino ad oggetti remoti come i quasar.
La maggior parte dei raggi cosmici che arrivano sulla Terra vengono fermati dall'atmosfera, con interazioni che tipicamente producono una cascata di particelle secondarie a partire da una singola particella energetica.
Tali particelle possono arrivare fino alla superficie terrestre ed essere osservate con speciali apparecchiature. è per evitare queste interferenze che molti laboratori di fisica si trovano nel sottosuolo, come il laboratorio del Gran Sasso.
I raggi cosmici hanno aiutato lo sviluppo della fisica delle particelle: dallo studio di tale radiazione spaziale sono state scoperte particelle come il positrone o il muone, in un'epoca nella quale la tecnologia degli acceleratori non era sviluppata come lo è ora.
Nei casi in cui manchi lo schermo dell'atmosfera, come nei satelliti, i raggi cosmici pongono un problema notevole: l'elettronica deve essere irrobustita e schermata pena malfunzionamenti, e nel caso di missioni con equipaggio umano gli astronauti stessi sono sottoposti al bombardamento di raggi cosmici.
Al di là dell'atmosfera i raggi cosmici sono costituiti da protoni (per circa il 95%) e da nuclei di elio (quasi il 5%); tuttavia anche elettroni ed altri nuclei leggeri, fotoni, neutrini ed in minima parte antimateria (positroni ed antiprotoni) fanno parte dei raggi cosmici primari. Giunte nell'atmosfera terrestre, tali particelle interagiscono con i nuclei delle molecole dell'atmosfera formando così, in un processo a cascata (vedi figura), nuove particelle proiettate in avanti, che prendono il nome di raggi cosmici secondari.