באותו זמן כבר היה ידוע שהתהליך העיקרי שבו מזוטרונים מאבדים אנרגיה הוא ביוניזציה שמתוארת על ידי הנוסחה של בתה והיא יחסית למסה לכל יחידת שטח של שכבת החומר שאותו חוצים. אם זה היה התהליך היחיד הרי עוצמת הרכיב הקשה העובר דרך שכבה של חומר מוצק הייתה יורדת באותה מידה כמו בשכבה מקבילה של אוויר. רוסי והשותפים שלו מצאו שהירידה הייתה גדולה באופן משמעותי באטמוספירה מאשר בשכבה מקבילה של פחמן מוצק. משום שהמרחק שעוברים באוויר הוא גדול בהרבה מאשר בפחמן הם פירשו את התוצאה הזאת כהוכחה להתפרקות של המזוטרון וכשלקחו בחשבון את האפקט של התארכות הזמן היחסית הם העריכו את ממוצע חייו בשתי מיקרו-שניות.
קורנל.
משרתו של רוסי שיקגו לא הייתה קבועה וקומפטון לא הצליח להבטיח לו קביעות. עקב כך הוא החל בחיפוש אחר משרה. במסגרת החיפוש הוא הרצה באוניברסיטת קורנל שם התפנתה משרה במחלקה לפיזיקה. בעקבות המלצתו של בתה הוא קיבל את המשרה.
בקורנל פגש את תלמיד המחקר האמריקאי הראשון שלו קנת גרייזן (Kenneth Greisen). הוא כתב איתו מאמר בשם תאוריה של קרינה קוסמית שהתפרסם ב-Reviews of Modern Physics שהתפרסם בקרב חוקרי קרינה קוסמית כ"תנ"ך". בקיץ 1941 הצטרפו גרייזן ופיזיקאים מדנבר ובולדר לרוסי בהר אוונס שם הם הרחיבו את הידע על היחס בין מומנטום של מזוטרון ומשך החיים שלו לפני דעיכתו. גרייזן ורוסי גם ביצעו ניסויים שהוכיחו שלא כל החלקיקים ברכיב הרך יכולים להיווצר על ידי מזוטרונים של הרכיב הקשה. הם פירשו זאת כהוכחה לקיומם של אלקטרונים ראשוניים או פוטונים, אבל מאוחר יותר התברר שעודף ברכיב הרך מקורו בדעיכה של פאיונים נייטרליים.
בזיכרונותיו על מה שהוא כינה עידן התמימות כתב רוסי:
"איך ייתכן שתוצאות המתייחסות לבעיות יסודיות של פיזיקת החלקיקים האלמנטריים היו יכולת להיות מושגות על ידי ניסויים פשוטים בצורה כמעט ילדותית שעלו כמה אלפי דולרים בודדים ודרשו רק עזרה של שני סטודנטים לתואר שני"?
לוס אלמוס.
עם השלמת עבודתו על מזוטרונים הפנה רוסי את תשומת לבו למאמץ המלחמתי. ב-1942 הוא התמנה כיועץ לפיתוח מכ"ם במעבדת הקרינה של המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. כאן, הוא המציא, יחד עם גרייזן, מעגל מעקב טווחים (range tracking circuit) שנרשם עליו פטנט אחרי המלחמה.
בתחילת יולי 1943 הזמין בתה את רוסי להצטרף לפרויקט מנהטן. בתוך חודש הוא התייצב במעבדה הלאומית לוס אלמוס. מנהל המעבדה, רוברט אופנהיימר ביקש מרוסי להרכיב קבוצה שתפתח מכשירי אבחון הנחוצים ליצור פצצה אטומית. רוסי הבין, תוך זמן קצר, שיש כבר קבוצה בעלת מטרה דומה שמנוהלת על ידי הפיזיקאי השווייצרי הנס שטאוב. השניים החליטו לאחד את מאמציהם ל"קבוצת גלאי" אחת. הם נעזרו על יד כעשרים חוקרים צעירים.
חדר יינון מהיר.
לשם פיתוח הפצצה היה צורך בגלאים גדולים של קרינה מיננת. מתחילת המחקר על רדיואקטיביות נמדדה הקרינה במונחים של יינון אבל חדרי היינון הקיימים היו בעלי תגובה איטית. כדי לפתור בעיה זו עשו רוסי ושטאוב ניתוח זהיר של הפולסים הנוצרים כאשר חלקיקים טעונים יוצרים יינון בתוך חדר יינון. הם הבינו שניעות (mobility) גבוהה של אלקטרונים חופשיים המוסרים מאטומים מיוננים פירושו של דבר שהפולסים המיוצרים על ידי חלקיקים יחידים יכולים להיות מאוד קצרים. יחד עם ג'יימס ס. אלן מצא רוסי תרכובות של גז בעלות ניעות גבוהה של אלקטרונים ולכידת אלקטרונים נמוכה. על בסיס בדיקות אלה המציאו אלן ורוסי את "חדר היינון המהיר" עליו הם רשמו פטנט אחרי המלחמה. היה זה גורם מכריע בהצלחת פרויקט מנהטן ונעשה בו שימוש נרחב אחרי המלחמה במחקר של פיזיקת החלקיקים.
עם הצלחת פרויקט מנהטן ומעבדת הקרינה עבר MIT לתחום חדש של Big science שמומן על ידי הממשלה האמריקאית. את ההתרחבות של MIT בתחום של פיזיקה גרעינית הנהיג ג'רולד זכריאס שהגיע ללוס אלמוס בסוף המלחמה. הוא הזמין את ויקטור וייסקופף ורוסי להיות פרופסורים ב-MIT. רוסי עזב את לוס אלמוס ב-6 בפברואר 1946.
תפקידו של רוסי במעבדה החדשה לפיזיקה גרעינית שנוהלה על ידי זכריאס היה לבנות קבוצת מחקר של קרינה קוסמית ב-MIT. לצורך זה הוא גייס ארבעה מדענים צעירים שהיו בלוס אלמוס כתחמידי דוקטורט: הרברט, ברידג', מתיו סנדס, רוברט תומפסון ורוברט ויליאמס. שניים נוספים שעבדו איתו במעבדת הקרינה באו גם כן: ג'ון טינלוט ורוברט הולסייזר. כל השישה היו מנוסים יותר מתלמיד דוקטורט רגיל משום שהיה להם ניסיון בן כמה שנים במחקר בזמן המלחמה.
חלקיקים יסודיים.
עם גילוי הפאיון ב-1947 נעשה החיפוש אחרי חלקיקים יסודיים נושא מחקר פופולרי. כשהפעיל חדרי יינון מהיר הוכיח הרברט שפרצי היינון שהם תיעדו נוצרו בעיקר על ידי קרינה קוסמית בעלת אנרגיה נמוכה יחסית שהאינטראקציות הגרעיניות שלה כוללות בדרך כלל פליטה של שחרור חלקיקים רבים בגרעין. על בסיס תוצא זה הדגימו הוא ורוסי שההתנהגות של אינטראקציות אלה דומה לזו של מקלחות חלקיקים.
קבוצתו של רוסי התרכזה בשימוש בתאי ערפל כדי לחקור את תכונותיהם ואת האינטראקציות שלהם. ב-1948 הראו רוסי, גרגורי וטינלוט שמקור המרכיב האלקטרומגנטי באינטראקציות של הקרינה הקוסמית הייתה, בעיקרה, פוטונים אנרגטיים ולא אלקטרונים. תוצאה זו איששה את הצעתו של אופנהיימר מ-1947 שפאיונים נייטרליים נוצרים באינטראקציות, יחד עם פאיונים טעונים ושרכיב זה מקורו בדעיכה המהירה שלהם לפוטונים.
כדי לחקור את החלקיקים היסודיים החדשים הפעילו ברידג' ומרטין אניס (Martin Annis) חדר ערפל גדול ומרובה לוחות באקו לייק (Echo Lake). מחקר זה סיפק את הבסיס לתזה לדוקטורט של אניס בהנחייתו של רוסי. בשנה שלאחר מכן הראו מחברים אלה יחד עם עוד סטודנט של רוסי, סטניסלב אולברט, איך להשיג מידע על אנרגיות של חלקיקים ממדידה של הפיזור שלהם. דבר זה הוסיף עוד דרך להשתמש בחדרי ערפל כדי למדוד את תכונותיהם של חלקיקים יסודיים. בתחילת 1953 פרסם רוסי יחד עם ברידג', ריצ'רד סאפורד וצ'ארלס פיירו (Charles Peyrou) תוצאות של מחקר מקיף בחדרי ערפל על חלקיקים יסודיים שהתפרסמו בשם קאונים.
כנס באנייר-דה-ביגור.
ב־1952 דווח על "גן חיות" מבלבל של חלקיקים יסודיים בעלי מסות שונות, סכמות של דעיכה, מינוחים ומהימנות של זיהוי. כדי להתמודד עם המצב ארגנו בלאקט ולפראנס-ראנגה (Leprince-Ringuet) כנס בינלאומי על קרינה קוסמית בבאנייר-דה-ביגור (Bagnères-de-Bigorre) ב-1953. ג'יימס קרונין סבר שכנס זה היה חשוב כמו שני הכנסים המפורסמים – כנס סולווה מ-1927 וכנס שלטר איילנד (Shelter Island) מ-1948.
לפראנס-ראנגה ביקש מרוסי שיסכם את המידע החדש שהוצג בכנס ושיציע מינוחים לחלקיקים החדשים. בתגובה לבקשה הפיץ רוסי הצעה שחלקיקים בעלי מסה קטנה מנייטרון יצוינו על ידי אות יוונית קטנה ואלה שמסתם גדולה מנייטרון יצוינו באות יוונית גדולה. בהרצאתו ב-11 ביולי 1953 הוא דיווח לכנס שהתוצאות, אליהן הגיע יחד עם פאואל ופרטר, היו עקביות עם הסכמה הזאת ובה השתמשו, בדרך כלל, אחרי כן.
נקודת שיא הייתה הכרזתו של לפראנס-ראנגה בהרצאת הסיום שלו ש"בעתיד אנחנו חייבים להשתמש במאיצי חלקיקים". הכרזה זו שיקפה קונצנזוס בקרב המשתתפים בכנס. כתוצאה מכך החלה הקבוצה של רוסי להפחית את הניסויים בחדרי ערפל.
מקלחות אוויר נרחבות.
בזמן כנס באנייר-דה-ביגור הפנה, כבר, רוסי את תשומת לבו להשלכות של תופעות של קרינה קוסמית, במיוחד מקלחות אוויר נרחבות. אחרי שרוסי למד, באריתריאה, שתופעות כאלה קיימות הם נחקרו בצורה מקיפה ע ידי פייר אוז'ה, (Pierre Auger) וויליאמס. באותה תקופה התפתח במהירות השימוש במונה נצנץ שהציע דרך חדשה לחקור את המבנה של מקלחות אוויר. לצורך המחקר גייס רוסי את תלמידו ג'ורג' קלרק, שסיים את לימודי הדוקטורט ב-1952 ואת פיירו באסי שבא לבקר מאוניברסיטת פדובה. משום שלא היה ניתן להשיג חומר מנצנץ מוצק הם החליטו להשתמש בטרפניל (terphenyl) שהומס בבנזין שהוא נצנץ נוזלי יעיל. בעזרת שלושה מונים שהוצבו על הגג של בנין פיזיקה ב-MIT בחורף 1952/3 הם מצאו שמקלחת חלקיקים שהגיעה למרחק של מטר או שניים מדיסק שנעה במהירות הקרובה למהירות האור בכיוון של ציר המקלחת.
תוצאה זו הוכיחה שמוני נצנץ יכולים להעריך את מספר החלקיקים הפוגעים בכל גלאי.
ניסוי אגאסיז.
הקבוצה של רוסי התחילה בניסוי גדול היה יכול למדוד גם אנרגיות ראשוניות וכיווני הגעה של מקלחות אוויר נרחבות. הם פיזרו חמישה עשר נצנצים נוזליים כל אחד בשטח של מטר מרובע בשטחי היער של מצפה אוק רידג'. זמן קצר אחרי תחילת הניסוי ברק הצית את החומר הדליק באחד מן המונים. הפסיקו את הניסוי. כדי למנוע שרפה בעתיד הקימו המדענים "בית חרושת" לייצור נצנצים מפלסטיק בלתי דליק.
אחרי המעבר לפלסטיק בסוף אביב של 1956 התקיים הניסוי בלי הפרעות והממצאים פורסמו ב - Nature וב - Physical Review. הממצאים החשובים ביותר סוכמו על ידי רוסי כ:
מחקר בפלזמת חלל.