当时的困境
1937 年，安德森与内德迈耶在宇宙线里找到一种带电粒子，比电子重得多、比质子轻得多。两年前汤川秀树刚预言过一种质量约为电子两百倍、负责传递核力的粒子，数字对得上，大家就认定是它。这个粒子当时多叫 mesotron，后来统称「介子」。
可这个介子越查越不对劲。它穿透力极强，能钻到很深的地下；它的寿命约两微秒，比汤川理论的估计长得多。最要命的一击来自罗马：1947 年 2 月，Conversi、Pancini 与 Piccioni 报告，让带负电的宇宙线介子在碳里停下，它们大多自己衰变掉，而没有被原子核吃掉。
带负电的粒子停下后会被原子核吸过去，贴着原子核绕转。如果它真是传递核力的粒子，本该立刻被核俘获。费米、特勒与韦斯科普夫随即算了一笔账：汤川粒子被碳核俘获应当快得几乎瞬间完成，而实验里的这个粒子却从容地活到衰变，两者差了大约十二个数量级。一个负责核力的粒子对原子核几乎视而不见——汤川的理论和实验之间出现了一条对不上的缝。
有人提出过出路：宇宙线里也许有两种介子，重的那种与核强烈作用、很快衰变成轻的那种，我们在海平面看到的只是后者。日本的坂田昌一等人 1942 年就写出了这个想法，但战时的论文传不出去，1946 年才有英文版；1947 年 6 月的谢尔特岛会议上，马沙克又独立提了出来，随后与贝特合写成文。
可理论只是猜测。要证实它，得有一种探测器，能在重介子来得及衰变之前让它停下来，并把整个过程记录下来。云室做不到：气体太稀，短命的粒子多半在飞行中就衰变了。
洞见时刻
答案是照相乳胶。布里斯托尔大学的鲍威尔从 1938 年起就在用照相底片记录粒子径迹：乳胶是固体，比气体密上千倍，粒子几十微米就能停下来；它一直处在记录状态，放在山顶上曝光几个星期就行。战后，Ilford 做出了溴化银含量高得多的新乳胶。1946 年夏天，奥基亚利尼把几块新底片带上比利牛斯山约 2800 米的 Pic du Midi 曝光。
冲洗出来的底片先给出一条线索。1947 年初，伦敦帝国理工学院的 Perkins 与布里斯托尔的奥基亚利尼、鲍威尔分别报告：有些慢介子停下来后会把原子核打碎，炸出一颗由几条短径迹组成的「星」。这种介子与原子核的作用显然很强。
接着是 3 月 7 日。据 Physics World 2017 年的报道，扫描员 Marietta Kurz 在显微镜下找到一条径迹：一个介子停住，从同一点又射出第二个介子。第二段径迹跑出了乳胶边缘，不完整；据 Bonolis 的整理，一天之后又找到了一例。5 月 24 日，拉特斯、Hugh Muirhead、奥基亚利尼与鲍威尔在《自然》上发表了这两例，谨慎地称之为介子的一种新衰变方式——作者按姓氏字母排序。
两例太少。拉特斯带着新底片去了玻利维亚海拔五千多米的查卡尔塔亚山，那里的宇宙线强得多。据 Bonolis 的整理，这批底片又给出十例「双介子」，而且每一例里，第二个介子在乳胶中停下之前走过的距离都约为 600 微米。
射程都一样长，这是整件事的钥匙。射程由能量决定，射程相同就说明第二个介子每次出生时的动能都相同。如果重介子衰变时放出三个或更多的粒子，能量会在它们之间随机分配，次级介子的射程应当有长有短。每次都一样，只能是两体衰变：重介子停下来之后，衰变成一个轻介子加上一个不留径迹的中性粒子，两者背对背分走固定的能量。按今天的质量数值，轻介子的动量是
对应动能约 4.1 MeV，正好在乳胶里走出六百微米左右。
1947 年 10 月，拉特斯、奥基亚利尼与鲍威尔在《自然》上分两期发表了完整的分析，给两种介子起了名字：重的叫 π，轻的叫 μ。拼图就此合上：
- 带负电的 π 停下后被原子核俘获，把核打碎成「星」——它与核子强烈作用，正是汤川预言的核力传递者；
- μ 是 π 在飞行中或停下后衰变出来的产物，它穿过原子核而不发生强作用，所以海平面上和地底下到处都是它；十年来被当成汤川粒子的，就是它。
鲍威尔 1950 年诺贝尔演讲里给出的当时数值是：π 的质量约为电子的 274 倍，μ 约 212 倍，π 的平均寿命约 2×10⁻⁸ 秒。今天的数值分别是 273 倍、207 倍与 2.6×10⁻⁸ 秒。
涟漪效应
从宇宙线到加速器。 1948 年初，拉特斯来到伯克利，与 Eugene Gardner 一起在劳伦斯的 184 英寸同步回旋加速器上用高能 α 粒子轰击碳靶，在乳胶里认出了人工产生的 π 介子。此后 π 介子不再需要去高山上等，可以按需大批制造，粒子物理的主战场开始从山顶移向加速器。1950 年，伯克利又通过它衰变出的一对光子认出了不带电的 π⁰。
奖项。 汤川 1949 年获诺贝尔物理学奖。1950 年的奖单独授给了鲍威尔，授奖理由是「发展了研究核过程的照相方法，并用这一方法发现了有关介子的若干事实」——重点放在方法上。
功劳怎么分，至今有不同说法。 以下各方都有出处，这里只列出来：
- 据 Symmetry 杂志 2019 年与 Pesquisa FAPESP 2024 年的报道，是拉特斯提出在乳胶里加硼，也是他决定把底片带到更高的查卡尔塔亚去。Nascimento 2015 年统计了 1901–1963 年的诺贝尔物理学奖提名，结论是拉特斯与奥基亚利尼得到的提名「足以得奖两次」；他也查了流传甚广的「玻尔留下一封解释拉特斯为何没得奖的密封信」之说，在玻尔档案里没有找到这封信。
- 据 Tucci 2023 年对奥基亚利尼晚年回忆录的整理，奥基亚利尼认为是他 1945 年向 Ilford 建议提高银含量、才有了新乳胶，而鲍威尔从未承认这一点，诺贝尔演讲里也没有提他的贡献；但奥基亚利尼自己在回忆录里承认拿不出证据。
- 乳胶法本身也有更早的源头：维也纳的玛丽埃塔·布劳与 Hertha Wambacher 1937 年就在高山曝光的乳胶里拍到宇宙线引起的核蜕变；加尔各答的 D. M. Bose 与 Bibha Choudhuri 1941 至 1942 年在喜马拉雅山区用乳胶估算过宇宙线介子的质量，但战时只有灵敏度不足的半色调底片，没能继续。
- 真正第一个看见「双介子」的是扫描员 Kurz，她和同事们都不是论文作者。
π 与 μ 的后半生。 一旦分清了，两个粒子各自成了工具。π 介子后来被南部阳一郎解释为强作用对称性自发破缺留下的「几乎无质量」的粒子，这正是它比其他强子轻得多的原因。μ 子则被归入与电子同类的轻子，它那句「谁点的这道菜」式的尴尬身份，要等到标准模型才算安顿下来。 这条衰变链，1957 年又成了检验宇称不守恒的现成实验。
乳胶本身也没有停下：1949 年鲍威尔小组在新的电子灵敏底片里又拍到一个衰变成三个 π 的更重介子，后来知道那是 K 介子——奇异粒子的大门就此打开。
如果没有它
没有这一步，汤川的核力理论会继续卡在那条十二个数量级的缝里。理论家已经开始怀疑整个介子图像，是乳胶里那十几条六百微米长的径迹把它救了回来，而且只用了一个最朴素的推理：射程一样长，就只能是两体衰变。
它也是粒子物理的一个分水岭。在它之前，基本粒子只有质子、中子、电子、光子，外加一个身份可疑的介子；在它之后，新粒子一个接一个出现，理论总是落在实验后面。鲍威尔在诺贝尔演讲里说，介子的世界远比最出色的理论推测所设想的复杂——此后二十年的「粒子动物园」印证了这句话，最终逼出了夸克模型。
更实际的遗产在今天的实验室里。加速器把质子打在靶上产生大量 π 介子，让它们在飞行中衰变，就得到了 μ 子束和中微子束——今天的长基线中微子实验，源头都是这一步衰变。宇宙线撞击高层大气产生的 π 介子，衰变出大气中微子，正是在它们身上最早确认了中微子振荡。而核乳胶这种「最土」的探测器，因为能分辨微米级的径迹，直到 21 世纪还在被用来捕捉 τ 中微子留下的那一小段拐折。