直接探測法——10¹⁴eV以下的宇宙射線，通量足夠大，可用面積約在平方公尺左右的粒子探測器，直接探測原始宇宙射線。這類探測器需要人造衛(wèi)星或高空氣球運載，以避免大氣層吸收宇宙射線。

間接探測法——10¹⁴eV以上的宇宙射線，由于通量小，必須使用間接測量，分析原始宇宙射線與大氣的作用來反推原始宇宙射線的性質(zhì)。 當宇宙射線撞擊大氣的原子核后產(chǎn)生一些重子、輕子及光子(γ 射線)。這些次級粒子再重復作用產(chǎn)生更多次級粒子，直到平均能量等于某些臨界值，次級粒子的數(shù)目達到最大值，稱為簇射極大，在此之后粒子逐漸衰變或被大氣吸收，使次級粒子的數(shù)目逐漸下降，這種反應稱為“空氣簇射”。地球地表的主要輻射源是放射性礦物，空氣簇射的次級粒子是高空的主要輻射源，海拔20公里處輻射最強，100公里以上的太空輻射則以太陽風及宇宙射線為主。

空氣簇射的成份主要以輕子居多，重子最少。探測空氣簇射有三種方式：地面（及地下）陣列、切倫可夫望遠鏡、熒光望遠鏡（左圖）。

地面（及地下）陣列通常需要多個帶電粒子探測器組成，分布于廣大平坦的區(qū)域，次級粒子才能有充足的取樣，可全年操作。切倫可夫望遠鏡可探測由次級粒子產(chǎn)生的切倫可夫光，熒光望遠鏡可探測帶電粒子游離氮氣產(chǎn)生的熒光，這兩種望遠鏡只能在夜間操作且需避開城市光源，平均操作時間只有10%。

宇宙射線為來自太陽系以外的高能量粒子，能量約從10⁹eV to 10²⁰eV以上。在靠近地球的太空中，每秒每平方公分約有一個宇宙射線穿過。宇宙射線的主要成份是質(zhì)子，及其它核種從氦核到鐵核以上，甚至微量的鑭系元素。人造粒子加速器其最高能量約為10¹³eV。右圖顯示了宇宙射線的能譜，橫跨12個數(shù)量級的能量。能譜上有兩個有重要物理意義的轉(zhuǎn)折點，10¹⁵eV稱為膝點(knee)，3′10¹⁸eV稱為踝點(ankle)。

極高能宇宙射線(Ultra High Energy Cosmic Rays: UHECR)主要研究10¹⁸eV以上的宇宙射線。為什么會有這么高的能量？它們的來源在那里？它們是什么粒子？這些都是宇宙射線物理學家的研究課題。

UHECR的研究與早期宇宙與微波背景、微中子與暗物質(zhì)成為現(xiàn)代天文粒子物理學研究的三大主流。