所谓宇宙射线，指的是来自于宇宙深处的高能粒子流，携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球的空间环境等科学信息，是一种宝贵的科学资源。1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定这是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。
奥地利物理学家赫斯(Victor Franz Hess,1883-1964)（右图）是一位气球飞行的业余爱好者。他设计了一套装置，将密闭的电离室吊在气球下。他乘坐气球，将高压电离室带到高空，静电计的指示经过温度补偿直接进行记录。他一共制作了十只侦察气球，每只都装载有2～3台能同时工作的电离室。
1911年，第一只气球升至1070米高，辐射与海平面差不多。1912年，他乘坐的气球升空达5350米。他发现离开地面700米时，电离度有些下降（地面放射性造成的背景减少所致），800米以上似乎略有增加，而后随着气球的上升，电离持续增加。在1400米～2500米之间显然超过海平面的值。在海拔5000米的高空，辐射强度竟为地面的9倍。由于白天和夜间测量结果相同，因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射，而是宇宙空间。
赫斯认为应该提出一种新的假说：“这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现……它可能是来自太空的穿透辐射。”1912年赫斯在《物理学杂志》发表题为“在7个自由气球飞行中的贯穿辐射”的论文。
赫斯的发现引起了人们的极大兴趣，从那时开始，科学界对宇宙射线的各种效应和起源问题进行了广泛的研究。最初，这种辐射被称为“赫斯辐射”，后来被正式命名为“宇宙射线”。当时，许多物理学家怀疑赫斯的测量，并认为这种大气电离作用不是来自太空，而是起因于地球物理现象，例如组成地壳的某种物质发出的放射性。现在认为，宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流的总称。
1914年，德国物理学家柯尔霍斯特（Werner Kolhorster，1887-1946）将气球升至9300米，游离电流竟比海平面大50倍，确证了赫斯的判断。
1912年奥地利科学家赫斯的一次完美气球飞行实验，结束了人们关于空气电离之地面（天然放射性）起源和非地面起源之争论，使人类得知了（业已充斥宇宙百亿年）宇宙射线的存在，人类从此获得了一个新奇的科学宝藏，和一种远强于卢瑟福用以发现原子核的天然放射性粒子炮弹，可以去轰开原子核这个坚固的堡垒去观察基本粒子的大千世界。
此后，自上世纪三十年代起的20多年间，人们使用威尔逊云雾室、电子灵敏核乳胶和GM计数管，连续发现了正电子、μ子、π介子、K介子及Λ、Σ超子等基本粒子，开创了粒子物理学，促进了能产生π和核子的高能加速器的应用（1955）和发展，从而打下了现代天文学和宇宙学的基础（粒子物理成了大爆炸后宇宙及天体演化、元素合成、以恒星内核子锅炉精确推演恒星进化生死的全过程）。所以，宇宙线的发现是人类科学史上的一大里程碑，把人们的视界扩到了粒子层次的微观世界，并把无限小的微观世界与无限大的宇观世界自然地连结了起来。
接着陆续发现的宇宙线的东西效应、纬度效应、太阳调制、太阳高能粒子事件（SEP）等又把宇宙线与地磁场、大气层、太阳活动、日地空间环境联系了起来，使人们从生存和发展的角度具体感受到了宇宙线的存在。宇宙线是个直接联系于最大的宇宙、最小的粒子、最远的过去、最近的此刻、‘咳咳嗽地球就会感冒的’太阳，为地球生命防卫太阳风暴和宇宙线袭击的地球磁场和大气层的‘多面神’。他是我们无法摆脱的、时刻与我们身体亲密接触的‘朋友’，宇宙派遣来的‘天使’，取之不尽的科学‘宝藏’。面对这样的角色，纪念人类与它的百年相识，自然是意义非凡的了。
直接探测法——1014eV以下的宇宙射线，通量足够大，可用面积约在平方公尺左右的粒子探测器，直接探测原始宇宙射线。由于宇宙线与地球大气相互作用, 直接地测量宇宙线便需在大气层外或大气层顶部进行，卫星、空间站和高空气球是常用的工具。直接探测能够比较准确地得到宇宙线信息, 包括成分、能谱等；然而送上天的设备不能太大，这便局限了人类的直接探测能力。
间接探测法——1014eV以上的宇宙射线，由于通量小，必须使用间接测量，分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙射线的性质。宇宙线和大气发生相互作用产生次级粒子，次级粒子进一步产生三级粒子，并如此发展下去，科学家称之为广延大气簇射。广延大气簇射由法国物理学家奥格尔于1938年发现。西藏羊八井宇宙线观测站，即是利用广延大气簇射探测宇宙线。
大气簇射的荷电成份主要以轻子（电子、缪子）居多，重子最少。探测大气簇射有三种方式：地面（及地下）阵列、大气切伦可夫望远镜、大气荧光望远镜（左图）。
地面（及地下）阵列通常需要多个带电粒子探测器组成，分布于广大的区域，次级粒子才能有充足的取样，可全天候、全日制操作。切伦可夫望远镜可探测由簇射次级粒子产生的切伦可夫光，熒光望远镜可探测簇射带电粒子游离氮气产生的熒光，这两种望远镜只能在晴朗无月的夜间操作且需避开城市光源，平均操作时间只有10%。