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到1930年，恩里科·费米已经有了国际声誉，罗马也成了世界性的物理中心。为了百尺竿头更进一步，是时候好好关注物理学中最激动人心的领域了，这就是原子核。在细小的原子核中，已为人所知的大部分知识此前都被束之高阁，至少在原子的电子围绕其中心的运动被理解之前都是如此。关于原子核所提出的问题现在变得引人瞩目了。
在奥尔索·科尔比诺1929年9月的一次谈话中，这位“圣父”说道：“在明天的物理学中，对原子核的研究才是真正的阵地。”他还进一步断言：“没有理论物理学的最新知识、没有大型实验室设备，就跟在现代战争中想要取胜却没有飞机大炮是一样的。”
在1930年写给《数学期刊》的一篇文章中，费米对科尔比诺的结论表示赞同，并宣称他也相信，对原子核的研究是未来物理学中最重要的问题。他还扩展了科尔比诺的评价，断言未来物理学要远远超过理论物理学的“最新知识”，并且“在得到关于原子现象的令人满意的理论之前，我们要认识到，有必要修正原子的有效定律。”挑战十分艰巨。
1911年，欧内斯特·卢瑟福发现了原子令人意想不到的图景，尼尔斯·玻尔在两年后又对此加以拓展，但并未试图解释原子核。这个图景对原子核确实有一个看似合理的解释，是说所有原子核中最简单的氢原子核，只是带正电荷的单个粒子而已。这个粒子的质量是电子的将近两千倍，这就解释了为什么氢原子的绝大部分质量都集中在原子核里。这个带正电的粒子最后被简单命名为质子。
但马上就出现了很多谜团。元素周期表上氢的下一个元素是氦，原子核里有两个质子。但氦原子核的质量大约是质子质量的4倍。肯定还有别的什么东西在里面，但究竟是什么？人们一头雾水，毫无头绪。沿着元素周期表看下去，同样的谜团持续存在，质子数与原子核质量之间的差别越来越大。
就算把质量问题放在一边，也还有一个问题十分显眼。是什么让原子核抱成一团？万有引力在这儿太小了，不会造成任何不同。其他已知的作用力只有一种，就是电作用力，解释了原子怎样构成：带正电的原子核吸引带负电的电子。但在质子之间，电作用力只会引起排斥，不会带来相互吸引。
肯定有别的什么未知而强大的作用力在起作用。正如费米在他最早的出版物之一中所写：“这些数据表明，原子核里的结合能量比那些能量最高的化学键的能量还要大好几百万倍。”但无论是费米还是其他人，在接下来的十年内都无法知道，为什么这种结合如此强劲。
但这还没完。甚至在发现原子核之前，卢瑟福就已经观察到在放射性元素中有两种衰变。衰变会释放出带电粒子，一种带负电，另一种带正电。在β衰变中，会有一个电子释放出来。而α衰变则会释放一个带正电的粒子。α粒子的质量远远大于电子，最终被确认为就是氦原子核。衰变后的原子核与衰变前的在带电量上有所不同，β衰变会让带电量增加一个单位，而α衰变会让带电量减少两个单位。
原子核中存在质子这个理论已经很好建立，因此肯定可以想见，而且也很可能的就是，在一个巨大的原子核中会有两个质子结合在一起形成氦原子核，也就是α粒子。可要说原子核内部存在电子，这就有点让人犹疑。绕开这个谜团的主要尝试是，推测原子核里有一个质子找到了一个电子，并与之紧密结合。
这种推测有利有弊。它可以解释电子被观察到如何从原子核中逃逸出来：一开始在原子核里就有电子。它也可以解释除氢之外的原子核中可以看到的额外质量。因为电子和质子所带的电荷电性相反而数量相等，结合在一起的电子-质子对就会具有质量但不带电。
但是，这种推测带来的问题也很多，其中一个问题就建立在海森伯的不确定性原理上。但就算把这个问题也搁在一边，电子和质子又如何才能紧密结合在一起呢？就算电子和质子结合了，电子又如何能从中逃逸而出形成β衰变？要是这些问题还不够头疼，这儿还有一个：β衰变中能量很显然并不守恒。正如预期，原子核在释放出一个α粒子之前和之后的能量差等于发射出来的氦原子核所带走的能量。但β衰变中并非如此。
费米对所有这些问题都深感兴趣，因此于1931年在罗马组织了一次为期一周的国际核物理会议来研讨这些内容。他也希望这次会议能帮助他和少年们跟上这个领域在实验和理论两方面的最新进展。这次会议在意大利皇家学院举办，聚集了来自全球各地的顶尖专家。为了凸显这次会议同时也是皇家学院的重要地位，墨索里尼出席了10月11日召开的首次会议。意大利媒体对此进行了大张旗鼓的报道，也成功注意到这次会议证明了“意大利思想的深刻性和普遍性”。
这次会议再次向少年们展示了核物理中最大的挑战在哪里，但并没有向他们提供如何进入这个领域的路线图。罗马甚至都没有用来研究核衰变的关键设备，但这难不倒费米。他和阿马尔迪都很喜欢建造实验装置，因此1931年晚些时候，他们开始建造所需物品中最关键的一项：云室。这个桌子大小的仪器里边有蒸气，通过形成水滴，可以记录穿过云室的带电粒子的轨迹。α粒子正是最合适的对象。
帕尼斯佩尔纳大道的研究中心缺少阿马尔迪和费米建造云室所需的各种器材，因此他们在罗马大量采购，只为找到恰好中用的器具。五金店售货员面对他们奇奇怪怪的采购组合大感困惑。费米是“自己动手，丰衣足食”理念的虔诚信徒，白手起家正好让他感到如鱼得水。
云室是技术性很强的仪器。阿马尔迪和费米建造的这台，就无法与更高级的实验室建造的那些相匹敌。不过，勇于尝试还是给他们带来了一些有益的经验。这一经验让他们深知，必须要有更好的实验设备，也还要在国外顶级的实验室进一步深造。阿马尔迪已经在莱比锡学习了10个月，塞格雷也已经离开去了汉堡。团队中的高级实验物理学家拉塞蒂，则动身前往柏林达勒姆研究院，莉泽·迈特纳（Lise Meitner）和奥拓·哈恩（Otto Hahn）都已经在那里开展最前沿的核物理研究。
1931年底，核物理领域开始出现巨大的飞跃。关键在于利用强烈放射性源产生α粒子束，然后用粒子束轰击合适的目标。这一技术由德国物理学家瓦尔特·博特（Walter Bothe）首创，后来又由法国化学家伊雷娜·居里（Irene Curie）和她的物理学家丈夫弗雷德里克·约里奥（Frederic Joliot）在他们位于巴黎的实验室中加以完善。他们用铍（周期表中的第四种元素）制成轰击目标，想找到铍被轰击后诱导出了什么类型的辐射。
居里和约里奥将一层石蜡暴露在从轰击目标诱导出的辐射中，观察到有大量质子产生。他们推断，是电磁辐射量子使质子从石蜡中被排挤出来，并把这种粒子称为光子。
卢瑟福的得力助手詹姆斯·查德威克（James Chadwick）在剑桥看到了巴黎实验的详细记录，将实验结果告诉了卢瑟福。卢瑟福的即时反应让他目瞪口呆：“我不信！”查德威克将这个反应描述为“完全不符合他的性格”。关于是什么导致了质子从石蜡中释放出来，卢瑟福和查德威克有自己的见解，这是一种他们已经冥思苦想了好几年的粒子。这种粒子有质量、电中性，他们管它叫中子。查德威克现在看到了获取这个捉摸不透的猎物的机会，就放下了手头所有的研究工作，专注于此。在废寝忘食地工作了两个星期之后，查德威克证明，是中子而非电磁量子，把质子从石蜡中敲了出来。
居里和约里奥搞错了他们看到的到底是什么。在考虑谁应该为此发现荣获诺贝尔奖殊荣时，据报道卢瑟福是这么说的：“诺贝尔奖应该颁给单独发现中子的查德威克。小居里夫妇那么聪明，他们很快就会因为别的什么获得诺贝尔奖的。”三年后的1935年，查德威克因其发现获得了诺贝尔物理学奖。
中子的发现最终会被视为核物理研究的分水岭，也是这一领域真正的曙光。然而，过了挺长时间人们才普遍看清这一点。中子可以解释原子核中多出来的质量，但还有一个挺大的困惑就是，到底该不该把中子跟质子处于一样的地位来对待。中子到底是原子核的基本成分还是混合进去的材料？对于是什么作用力使中子和质子在原子核中结合，人们也同样一无所知。
解决这一重要问题的第一线希望来自海森伯1932年底写就的三篇文章。在文中海森伯试图描述这种作用力可能是什么样子，为一个延续至今的领域带来了大有希望的开局。海森伯也不是一个人在战斗，马约拉纳和其他一些人都同样致力于此。对居里和约里奥的报告提出质疑的，也不是只有查德威克和卢瑟福二人。在意大利，马约拉纳读到报告后就曾大摇其头，对其他少年说：“他们什么都没搞懂。这个结果很可能是由于质子在被一种很重的、电中性的粒子撞击之后的反冲。”没有人对这番评论往深处想，但几个星期之后，他们看向马约拉纳的目光就多了新的敬意。
不幸的是，马约拉纳不但几乎总是对别人吹毛求疵，他也认为自己的结果无足挂齿。费米准备到巴黎参加一个会议，当他问到马约拉纳是否愿意在这个会上就自己的工作至少做一个初步报告时，据说这位宗教裁判所大法官大为光火，他告诉费米：“我不许你提到我的工作，我做的这些都太傻了。我可不想你到处败坏我的声誉。”马约拉纳越来越受到偏执和孤立的困扰，这些迹象在他身上也越来越明显，很令人遗憾。
费米和少年们都试着劝马约拉纳去几个欧洲的大型核物理中心访问访问，在其他致力于核物理研究的理论学家面前亮亮相，还希望他能够因此相信，他的想法并不是“太傻了”。费米还特别建议马约拉纳在莱比锡逗留一段时间，海森伯在那儿当教授。马约拉纳拿到了一笔补助金，就在1933年1月去了莱比锡。正如费米所希望的那样，马约拉纳发现海森伯很喜欢他的工作。海森伯甚至设法让马约拉纳相信，他对核力理论的贡献很有必要发表出来。
马约拉纳的发现随后出现在《物理学杂志》上，在他之后就几乎不再有外国人在这份久负盛名的德国科学期刊上发表文章了。德国科学界受到的尊敬正在销蚀，这是因为德国科学家纷纷流散。其中很多都是犹太人，他们为了逃离纳粹无远弗届的触角不得不背井离乡。对国家社会主义的种族主义来说，有用的研究是被歪曲的优生学这种伪科学。基础科学的研究也还在继续，但很快就被重新定位，转向了武器和战争。