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En 1960 entró a formar parte del CERN en Ginebra, donde continuó sus trabajos de investigación sobre las partículas elementales. En 1976 promovió la modificación el sincrotrón del CERN para introducir el bombardeo conjunto de protones y antiprotones, lo que se convirtió en una realidad en 1981. La realización de experimentos con esta nueva técnica llevó a Rubbia, con la colaboración de Simon van der Meer, al experimento denominado UA1 el que comportó el descubrimiento de una nueva partícula, llamada bosón W. Posteriormente ambos científicos realizaron el experimento UA2, con el cual se descubrió el bosón Z.
En 1984 fue galardonado, junto a van der Meer, con el Premio Nobel de Física por sus trabajos que han permitido descubrir el Bosón W y Z.
Rubbia inventó el concepto para un nuevo tipo de reactor nuclear, al que llamó amplificador de energía. Este concepto de diseño intrínsecamente seguro combina un acelerador de partículas con un reactor nuclear subcrítico que pueda hacer uso del torio como combustible y produciendo una reacción de fisión, los desechos producidos del cual se conservan activas durante un período más corto de tiempo que las producidas por los reactores convencionales.