1927年秋，赵忠尧进入美国加州理工学院深造，师从诺贝尔物理学奖得主密立根教授。一开始，密立根交给赵忠尧的题目是利用干涉仪做一个光学实验，但赵忠尧以学本领为目标，主动提出更换难度大一点的题目。于是，密立根决定让他以“硬γ射线通过物质时的吸收系数”为题。

经过一年多的实验研究，赵忠尧发现当硬γ射线通过重元素时，吸收系数比理论公式的结果大了约40%。不久，他又在新的实验中首次发现，伴随着硬γ射线在重元素中的反常吸收，还存在一种特殊辐射，能量大约等于一个电子的质量，且它的角分布大致为各向同性。实际上，赵忠尧的这两个实验已经打开了正电子发现的大门！

1932年，同为密立根研究生的安德森，受赵忠尧实验结果的启发，在云雾室中观测到了正电子迳迹，并以此成果获得1936年诺贝尔物理学奖。几个月后，布莱克特和奥克里尼又发现了更多的正电子，并对正负电子对产生（“反常吸收”）与湮灭（“特殊辐射”）机制做出了解释，布莱克特后来获得1948年诺贝尔物理学奖。那么，为何这一桂冠没有先授予赵忠尧呢？

赵忠尧（左二）留学合影

从1983年起，杨振宁与李炳安花费数年时间，对原始文献进行认真细致的调查研究，以确凿证据论证了赵忠尧在发现正电子研究工作中的首创性贡献，分析了其错失诺贝尔奖的原因。

首先，彼时的原子核物理尚处于研究初期，实验结果往往得不到恰当的理论解释。赵忠尧的两个创新发现在当时仅被归因于原子核现象，直到后来安德森、布莱克特等人观测到更多正电子后，才引起学界的广泛关注。

其次，赵忠尧的工作在时人研究中并未得到很好的介绍。如在布莱克特和奥克里尼文章的脚注中，或因印刷或因粗心等错误，竟将赵忠尧于1930年发表在《物理评论》上的文章标注成1931年，排在另两篇文章之后，且引用时没有提及特殊辐射，混淆了当时物理学界的视听。

再者，这类实验难度非常大，许多知名学者都曾陷入过实验困境。起初密立根便不相信他的这位中国学生的实验结果，是代管研究生工作的鲍文教授对赵忠尧实验的全过程有比较详细的了解，相信其实验结果的可靠性，才说服密立根将其论文送出发表。

另据前诺贝尔物理学奖委员会主任爱克斯朋回忆，1936年诺奖评审曾注意到赵忠尧的工作，但当时德国著名科学家迈特纳等两组学者进行类似实验时，并未获得和赵忠尧一致的实验结果，因而评审会对其可靠性产生了疑问。

总之，在诸多历史偶然因素的综合作用下，诺贝尔物理学奖与赵忠尧擦肩而过。但物理学界并没有忘记他的历史贡献。安德森、李政道、丁肇中、杨振宁等都十分认可赵忠尧在发现正电子过程中的重要作用。