这项结果对赵忠尧而言，是一个崭新的开始，吸收系数的测量结束后，赵忠尧想进一步研究硬伽马射线与物质的相互作用机制，观测重元素对硬伽马射线的散射现象。鲍文听了赵忠尧的想法后说：“测量吸收系数，作为你的学位论文已经够了，结果也已经有了。不过，如果你要进一步研究，当然很好。”当时虽然离毕业只有大半年时间了，但由于有了第一个实验的经验，赵忠尧还是决心一试。

赵忠尧的这个实验结果首次发现，伴随着硬伽马射线在重元素中的反常吸收，还存在一种特殊辐射。赵忠尧不仅测得了这种特殊辐射的能量大约等于一个电子的质量，而且还测出它的角分布大致为各向同性。原来，当硬伽马射线通过重金属铅时，会产生成对的正反物质--反物质碰到正物质，两者迅速消失，并演变成光子。湮灭后产生的光子是一种没有方向性的、被“软化了”的伽马射结，能量相当于电子的静止质量。这些记录表明人类历史上第一次观察到了正反物质的湮灭现象。赵忠尧把这个结果撰写成第二篇论文《硬伽马射线的散射》，于1930年10月发表在美国的《物理评论》杂志上。密立根看到学生取得如此重要的研究成果，心中好不得意。在进行博士论文答辩时，他当着其他教授的面“讥笑”起赵忠尧来：“这个小伙子不知天高地厚，当初我让他做这个题目，他还嫌太简单，说要‘考虑考虑’呐！”

赵忠尧的这些研究成果是正电子发现的前导，国际物理学界对此给予了高度评价，可以说，赵忠尧是第一个观测到正反物质湮灭的人，也是物理学史上第一个发现了反物质的物理学家。这个发现足以使赵忠尧获得诺贝尔奖，当时瑞典皇家学会也曾郑重考虑过授予他诺贝尔奖。不幸的是，有一位在德国工作的物理学家对赵忠尧的成果提出了疑问，虽然后来事实证明赵忠尧的结果是完全准确的，错误的是提出疑问的科学家，但这却影响了赵忠尧的成果被进一步确认。1936年，为了表彰正电子的发现这一重要成就，瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖授予了1932年在云雾室中观测到正电子径迹的安德逊，而不是1930年首先发现了正负电子湮灭的赵忠尧。

安德逊也承认，当他的同学赵忠尧的实验结果出来的时候，他正在赵忠尧的隔壁办公室，当时他就意识到赵忠尧的实验结果已经表明存在着一种人们尚未知道的新物质，他的研究是受赵忠尧的启发才做的。

前诺贝尔物理学奖委员会主任爱克斯朋在1997年撰写的一篇文章中坦诚地写道：“赵忠尧在世界物理学家心中是实实在在的诺贝尔奖得主！”

1931年，赵忠尧学成回国后到清华大学担任物理系教授。赵忠尧开设了我国首个核物理课程，主持建立了我国第一个核物理实验室。当时中国的核物理研究还是一片空白，但他却在极为简陋的条件下进行了一系列研究工作。研究结果有的发表在《中国物理学报》上，也有一些发表在英国的《自然》杂志上。赵忠尧与他的老师叶企孙一起，还培养了一批后来为我国的原子能事业做出重要贡献的人才：王淦昌、彭桓武、钱三强、邓稼先、朱光亚、周光召、程开甲、唐孝威……诺贝尔物理奖得主杨振宁和李政道也都曾经受业于赵忠尧。

回到加州大学，心中想的是发展自己民族的核事业

赵忠尧此次趁旁观原子弹爆炸的机会回到了母校，他利用一切条件，对加速器的操作台和零部件进行了深入研究，迅速掌握了加速器的设计和制造细节。

回旋加速器的发明者，他的老师、诺贝尔物理学奖得主密立根显然知道赵忠尧目的何在，他十分赞赏赵忠尧的才智，也敬佩赵忠尧的爱国心。更何况，美国的核事业是在赵忠尧研究成果的基础上发展起来的。为了便于赵忠尧熟悉情况，在实验室多工作一段时间，密立根聘他为自己的工作助手，特意安排他多接触实验设备和相关核心图纸。

这时，萨本栋秘密汇来了5万美元，作为赵忠尧购买实验设备的费用。钱汇来了，赵忠尧却感觉有点犯难，买一台加速器起码要40万美元，这点钱根本就不够。何况，即便买到了，也拿不到出口许可证，无法运回中国，美国政府严禁此类尖端技术出口。唯一的办法是将技术参数默背下来，烂熟于心，然后回国自己制造，而一些国内一时无法制造的精密部件，则在美国秘密定制，然后再想方设法托运回去。

赵忠尧成了实验室里最勤奋的人，在完成科研项目的同时，他拼命掌握着有关加速器制造的技术资料和零件参数。每天，他的工作时间都在16小时以上。

之后，赵忠尧又在美国麻省理工学院、卡内基地磁研究所等处进行了核物理和宇宙线方面的研究。在麻省理工学院电机系静电加速器实验室学习静电加速器发电部分和加速管的制造时，该实验室的主任屈润普非常支持赵忠尧的工作。他让赵忠尧利用他们的资料，还给他介绍了另一位专家，又将实验室里准备拆去的一台旧的大气型静电加速器给赵忠尧做试验用。在华盛顿的卡内基地磁研究所，那里有两台质子静电加速器和一台回旋加速器在工作，学习的环境也很好。当时，毕德显正准备回国，赵忠尧挽留他多待半年，一起继续静电加速器的设计，并采购一些零星器材。毕德显为人忠厚，工作踏实，又有电子技术方面的实践经验，对加速器的设计工作起了很大作用。加速器的运转部分、绝缘柱以及电极的制造总算有了着落。与此同时，他还替中央大学订制了一个多板云雾室，并且买好了与此配套的照相设备以及一些核物理实验所需的器材。这些都是用手头那点钱购置的。