В 1950 г. Л. провел несколько месяцев в качестве ассистент-исследователя по астрофизике в Йерксской астрономической обсерватории на озере Женева (штат Висконсин). В следующем году он работал ассистент-исследователем по физике в Калифорнийском университете в Беркли. Л. и Янг вновь встретились в 1951 г. в Институте фундаментальных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси). В 1953 г. Л. стал ассистент-профессором физического факультета Колумбийского университета, а в 1956 г., в возрасте двадцати девяти лет, – полным профессором. Это был самый молодой профессор за всю историю Колумбийского университета. С 1960 по 1963 г. Л. занимал пост профессора в Институте фундаментальных исследований, а в 1963 г. возвратился в Колумбийский университет.

Дружба с Янгом окрепла за два года, проведенные ими в Принстоне. Она продолжилась и после того, как Л. вернулся в Колумбийский университет, а Янг остался в Институте фундаментальных исследований. Еженедельно они встречались за обедом, чтобы обсудить научные проблемы. Одна из них касалась двух внешних различных типов К-мезонов – нестабильных частиц, обнаруженных среди осколков при бомбардировке атомных ядер частицами высокой энергии. К-мезоны различались по характеру распада: один из К-мезонов (получивший название тета-мезона) распадался на два пи-мезона, а другой К-мезон (названный тау-мезоном) – на три пи-мезона. Однако из некоторых экспериментальных данных следовало, что тау - и тета-мезоны в действительности являются одной и той же частицей, в частности у них одинаковые масса и время жизни. Наиболее серьезным основанием считать тау - и тета-мезоны различными частицами был закон сохранения четности, следовавший из одной из наиболее фундаментальных симметрии. Помимо всего, сохранение четности означает, что взаимодействия частиц и зеркальное отражение таких взаимодействий удовлетворяют одним и тем же физическим законам и неотличимы друг от друга. Природа не отдает предпочтения ни левому, ни правому, и потому мы вправе ожидать, что и исход любого эксперимента не будет смещен. Частицы или энергетические состояния обладают определенной четностью и называются четными (+1) или нечетными (–1). Закон сохранения четности утверждает, что четность распадающейся частицы равна произведению четностей частиц, на которые она распадается, поэтому полная четность остается неизмененной. Так как четность пи-мезона равна –1, четность системы из двух пи-мезонов равна (–1)·(–1) = +1. Следовательно, тета-мезон, распадающийся на два пи-мезона, должен иметь четность, равную +1, а тау-мезон, распадающийся на три пи-мезона, – четность, равную (–1)·(–1)·(–1) = 1. Таким образом, сохранение четности требует, чтобы тета - и тау-мезоны были различными частицами. Однако вполне надежные экспериментальные данные, свидетельствовавшие об их сходстве, противоречили такому выводу. И Л. и Янг принялись размышлять над этой нерешенной загадкой.

Закон сохранения четности был впервые четко сформулирован в 1925 г. и с тех пор приобрел всеобщее признание, поскольку применение его в теоретических и экспериментальных исследованиях оказалось необычайно плодотворным. Кроме того, интуитивно сохранение четности воспринималось как нечто очевидное: почему природа должна отдавать одному предпочтение перед другим? Физикам известны четыре фундаментальных взаимодействия: сильное (между нуклонами – частицами, из которых состоит ядро), электромагнитное (между заряженными частицами), слабое (при испускании частиц во время радиоактивного распада) и гравитационное (между любыми массами). В поисках решения проблемы тета - и тау-мезонов Л. и Янг подвергли анализу экспериментальные данные, подтверждающие сохранение четности. К своему удивлению, они обнаружили, что существует множество данных, удостоверяющих сохранение четности при сильном или электромагнитном взаимодействии, но нет таких, которые подтверждали бы сохранение четности при слабом взаимодействии. Гравитационное взаимодействие, самое слабое из четырех, обычно пренебрежимо мало при взаимодействиях субатомных частиц. Экспериментаторы никогда не подвергали прямой экспериментальной проверке сохранение четности при слабом взаимодействии, по всей видимости из-за того, что были внутренне убеждены в ней. В процессах распадов тета - и тау-мезонов главную роль играло именно слабое взаимодействие.

Л. и Янг в первую очередь были теоретиками, однако они предложили несколько экспериментов, предназначенных дать окончательный ответ на вопрос о симметрии правого и левого в слабых взаимодействиях. После шести месяцев трудной подготовки один из таких экспериментов был проведен в 1956...1957 гг. сотрудницей Колумбийского университета By Цзиньсян и другими физиками в Национальном бюро стандартов США в Станфорде. Радиоактивный кобальт, превращающийся при распаде в никель и испускающий разность энергий в виде бета-излучения (электрона) и нейтрино (частицы с нулевой массой и нулевым зарядом), был помещен внутрь катушки электромагнита и охлажден до температуры, близкой к абсолютному нулю, что сводило до минимума влияние тепловых эффектов. Так как атомы и их ядра ведут себя в некоторых отношениях как крохотные магниты, большинство атомов кобальта выстроились параллельно сильному магнитному полю в катушке, направление которого было опорным. Бета-распад (испускание электронов) – результат слабого взаимодействия. Если бы четность сохранялась при распаде кобальта, то в направлениях северного и южного магнитного полюсов источник должен был бы испускать одинаковое число электронов. By получила убедительные доказательства того, что с южного магнитного полюса вылетает больше электронов, чем с северного. Таким образом, четность при слабых взаимодействиях не сохраняется. Исход эксперимента явился неожиданностью даже для Л. и Янга, несмотря на высказанную ими дерзкую гипотезу.

Вскоре это нашло подтверждение в других экспериментах, выполненных в Колумбийском университете Ричардом Л. Гарвином, Леоном Ледерманом и Марселем Вейнричем. Эти экспериментаторы использовали распад пи-мезонов на мю-мезоны с последующим распадом мю-мезонов на электроны и нейтрино (или антинейтрино). Они обнаружили, что мю-мезоны и электроны вылетают вверх и вниз не симметрично, как следовало ожидать, если бы четность сохранялась. Последующие эксперименты, проведенные в различных лабораториях, показали, что четность не сохраняется и при распадах других частиц.

Падение просуществовавшего достаточно долго закона сохранения четности облегчило решение загадки тау - и тета-мезонов: распад одной и той же частицы может происходить по двум различным маршрутам. Все это открыло новые горизонты в научных исследованиях и зародило надежду на возможность продвижения к достижению цели, намеченной еще Альбертом Эйнштейном, – построение единой теории, охватывающей все четыре фундаментальных взаимодействия.

Л. и Янгу была присуждена Нобелевская премия по физике 1957 г. «за проницательное исследование так называемых законов сохранения, которое привело к важным открытиям в физике элементарных частиц». На церемонии вручения премии О.Б. Клейн из Шведской королевской академии наук заявил: «Последовательность и непредвзятость мышления позволили вам разрубить загадочный мертвый узел в физике элементарных частиц, где теперь, благодаря вашему блестящему достижению, экспериментальные и теоретические работы идут непрерывным потоком».

Научные интересы Л. разносторонни. Он успешно работал в столь различных областях физики, как теория поля, статистическая механика (наука об атомном происхождении тепловых явлений), гидродинамика, теория турбулентности и астрофизика.

В 1950 г. Л. вступил в брак с Чин Юйчжан (Жаннет), у них двое сыновей. Коллеги отзываются о Л. как о скромном, замкнутом человеке. Сам Л. считает, что его основное занятие состоит в том, чтобы размышлять. В часы досуга он читает романы с загадочными сюжетами и слушает музыку. В 1963 г. Л. стал гражданином Соединенных Штатов Америки.

В 1957 г. Л. получил премию Альберта Эйнштейна университета Йешивы. В 1958 г. Принстонский университет избрал его своим почетным доктором. Он состоит членом Национальной академии наук США и Американского физического общества.