发现反西格马负超子
1950年4月，王淦昌应钱三强的邀请，到新成立的中国科学院近代物理研究所任研究员。1951年被任命为副所长主要领导宇宙线的研究工作。1954年在云南落雪山建立了中国第一个高山宇宙线实验室，很快取得了一批研究成果，引起了国外同行的注意。
1956年秋天，他作为中国的代表，到苏联杜布纳联合原子核研究所担任高级研究员，后来又担任副所长，并且亲自领导一个实验小组，开展高能实验物理的研究。
自从1930年英国科学家狄拉克首先从理论预言存在电子的反粒子——正电子，1932年美国物理学家安德逊利用云雾室从宇宙线中发现正电子以后，实验物理学家一直在寻找各种粒子的反粒子。如果所有的粒子都有反粒子，这将证明微观世界中一个重要的规律，就是对称性，粒子与反粒子——正与反——的对称。各种介子的反粒子已经确证了。1955年美国建成60亿电子伏质子加速器，用这台加速器很快就发现了反质子，接着又发现了反中子。到1957年，摆在实验物理学家面前的一个挑战性课题，就是寻找反超子。这时候，欧洲原子核研究中心一台能量更高的加速器还在建设中，而联合原子核所一台能量为100亿电子伏的质子同步加速器就要建成了，在能量上可以占几年优势。王淦昌根据这个情况，果断地把寻找新奇粒子（包括各种超子的反粒子），作为小组的主要研究课题。
联合所的加速器是建成了，但是配套的设备如探测器、测量仪、计算机等都没有。一切都要从头做起。经过研究，王淦昌设计了一个精巧的实验。首先，他考虑到反超子的寿命很短，要想比较可靠地捕捉到这类粒子，用能够显示粒子径迹的气泡室作为主要探测器比较理想。为了争取时间，他们又选择了技术难度比较小，建造周期比较短的丙烷气泡室，他们自己动手，建造了气泡室，用π介子作为炮弹，在加速器上进行实验。王淦昌把握着研究进程中的每一个环节，及时地嘱咐组员们在观察气泡室拍摄到的照片时应该着重注意的地方。1959年3月9日，终于从4万对底片中，找到了一个产生反西格马负超子的事例，发现了超子的反粒子——反西格马负超子。
王淦昌小组的工作，受到各国物理学家的赞扬。1972年，杨振宁教授回国访问时对周恩来总理说：联合原子核所这台加速器上所做的唯一值得称道的工作，就是王淦昌先生及其小组对反西格马负超子的发现。1982年，王淦昌和丁大利、王祝翔荣获国家颁发的自然科学一等奖。这是新中国成立30多年来物理学家所获得的最高荣誉。
以身许国
1960年底，王淦昌在杜布纳联合原子核研究所的任期满了，他就要回国了。
一天，他特地来到莫斯科中国驻苏联大使馆，慎重地把一个存折当面交给大使，说：“请你收下，转交给祖国人民吧！”这是他在联合所工作4年，节衣缩食积存下来的，共有14万卢布（旧币，折合新币14000卢布）。他想，祖国和人民正在经受一场严峻的考验，克服暂时的经济困难。这笔钱虽然不算多，但这是一个科学工作者对祖国的一份心意。
看了这个故事，读者可能会想，王淦昌是教授，工资高，一定有很多钱吧。他的学生曾经回忆过这样一段往事：
在抗日战争时期，教师的薪水很低，王老师又在病中，生活艰苦，营养不足。有人私下议论：王老师是28岁当教授的，抗战前，应该拿高薪，那时候物价也比较低，发的是硬币银元，师母也善于节俭治家，估计会有积蓄，为什么生活这样艰苦呢？后来揭开了这个谜，大家才恍然大悟。
原来，早在抗日战争爆发时，为了支援抗战，王老师和物理系仪器管理员任仲英一起，挨家挨户宣传抗日，“有钱出钱，有力出力”，募捐废铜烂铁，给政府造抗日枪炮。而王老师是既出钱又出力，把他结婚时的金银首饰和家里积攒多年的银元都捐献了。王淦昌的爱国精神，深深地教育了他的学生。
王淦昌的夫人是一位家庭妇女，子女又多，靠他一个人的收入，生活并不富裕。但是，他有一颗非常可贵的赤子之心。他热爱祖国，热爱人民。他常常以范仲淹的名言“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”来自勉。总是想着国家，想着别人。他40年代的一个学生，在1957被错划为右派，下放农村劳动。在文化大革命中，因为编译《爱因斯坦文集》，有一段时间断了生活费的来源，王淦昌知道后，就给这个学生写信，要他安心做好《爱因斯坦文集》的编译工作，生活费由他负责。以后，他每月按时给这个学生寄30元生活费，直到他知道这个学生的生活费问题确实解决了，这才放心。在那是非不分、黑白颠倒的年代，这样做是要冒受批挨斗的危险的。