کشف نیروی هسته‌ای: پروتونها با وجود نیروی دافعه شدید نسبت به هم چطور در کنار هم در درون هسته می‌مانند؟
پس از کشف نوترون در سال ۱۹۳۲ میلادی شناخت فیزیکدان‌ها از هسته اتم تا حد زیادی کامل‌تر شد. اما هنوز یک سؤال بسیار مهم همچنان بیپاسخ مانده بود.
این سؤال بسیار مهم در ارتباط با پایداری هسته‌های اتمی بود. در آن زمان مشخص شده بود تمامی هسته‌های اتمی از تعدادی پروتون و نوترون تشکیل شده‌اند.
اما با توجه به آنکه پروتونها بار مثبتی دارند و همدیگر را به شدت دفع می‌کنند پس چگونه است که هسته اتم پایدار مانده و از درون متلاشی نمی‌شود؟ چه عاملی است که پروتونها را با وجود نیروی دافعه شدیدی که نسبت به همدیگر دارند همچنان در کنار هم در درون هسته نگاه می‌دارد؟ پاسخ این پرسش بسیار مهم را یک فیزیکدان ژاپنی به نام هید کی یوکاوا در سال ۱۹۳۵ پیدا کرد. یوکاوا پیش خود گفت قاعدتا باید نیروی جاذبه ناشناخته‌ای در هسته اتم حاکم باشد که در برابر نیروی دافعه الکتریکی شدید مابین پروتونها مقاومت کرده و از متلاشی شدن هسته جلوگیری کند. بر اساس مدل یو کاوا، این نیروی ناشناخته – که او آن را نیروی هسته‌ای نامیده بود – اساسآ با نیروی الکترومغناطیسی متفاوت بوده و نیروی کاملا جدیدی با ماهیتی کاملا متفاوت محسوب می‌شود که مابین نوکلئون‌ها (یعنی پروتونها و نوترون‌ها اعمال می‌شود.
بر مبنای محاسبات یوکاوا برد نیروی هسته‌ای بسیار کوتاه و در حدود ابعاد هسته اتم است و به همین دلیل هم این نیرو تا آن زمان در هیچ آزمایشی مستقیما مشاهده نشده بود و تا آن هنگام همچنان ناشناخته باقی مانده بود. ضمنا از آنجایی که یوکاوا با نظریه میدان کوانتومی دیراک آشنا بود و می‌دانست که بر اساس این نظریه، میدان الکترومغناطیسی از تبادل فوتون‌ها مابین ذرات باردار شکل می‌گیرد؛ بنابراین فکر کرد پس قاعدتا نیروی هسته‌ای هم باید از تبادل ذرات خاصی مابین نوکلئون‌ها ایجاد شود.
یوکاوا نام این ذرات حامل نیروی هسته‌ای را پیون (یا مزون‌های پی) گذاشت. محاسبات یوکاوا نشان می‌داد جرم پیونها باید حدود ۲۵۰ برابر جرم الکترون باشد. ۱۲ سال پس از این پیش بینی (یعنی در سال ۱۹۴۷ میلادی) یک گروه پژوهشی انگلیسی به رهبری فیزیکدانی به نام سسیل پاول با نصب دستگاه‌های آشکارساز پرتوهای کیهانی در ارتفاعات کوههای پیرنه در اروپا و کوههای آند در آمریکای جنوبی سرانجام موفق به آشکارسازی پیونها در میان ذرات پرتوهای کیهانی ثانویه شدند. بدین ترتیب صحت مدل نیروی هسته‌ای یوکاوا به طور تجربی هم تأیید شد و به مناسبت این دستاورد مهم یعنی کشف نیروی هسته‌ای و ذره حامل این نیرو یعنی مزون‌های پی (پیون ها) جایزه نوبل فیزیک سال‌های ۱۹۴۹ و ۱۹۵۰ به ترتیب به یوکاوا و پاول اهدا شد.
