En 1933 defendió con éxito su tesis, titulada Sobre la teoría relativista del electrón de Dirac ante un comité examinador presidido por el premio Nobel Jean Perrin.
Posteriormente regresó a París, donde dirigió un seminario sobre física de partículas elementales.
Intentó conseguir una cátedra en la Sorbona o en el Collège de France, pero no lo consiguió.
Más adelante, en 1934, pasó un año entero con Erwin Schrödinger en Berlín, y visitó durante unos meses al premio Nobel Niels Bohr en Copenhague, donde también conoció a Werner Heisenberg y a Gueorgui Gámov.
Posteriormente, Yukawa recibió el Premio Nobel por una explicación de las fuerzas nucleares mediante el uso de un campo pi-mesónico y por predecir correctamente la existencia del pion, inicialmente llamado mesotrón por Yukawa.
La última teoría consideraba solo el campo escalar masivo como la causa de las fuerzas nucleares, como las que se esperaría encontrar en el campo de un mesón pi.
Los mesones vectoriales de cuarks ligeros aparecen casi en estados cuánticos puros.
es la densidad de corriente y el operador nabla (∇) al cuadrado es el laplaciano, Δ.
Dicho campo se caracteriza por un vector real A que da como resultado una densidad lagrangiana relativista L. Las expresiones pueden parecer formalmente similares a la ecuación de Klein-Gordon: pero esta última es una ecuación escalar, "no vectorial", que se ideó para "electrones" relativistas y, por lo tanto, se aplica solo a fermiones de espín 1/2.
La intuición de Yukawa se basó en dicha ecuación escalar de Klein-Gordon, y el premio Nobel Wolfgang Pauli escribió en 1941: ``...Yukawa supuso que el mesón tenía espín 1 para explicar la dependencia del espín de la fuerza entre el protón y el neutrón.