Posteriormente fue a la Universidad de Princeton para trabajar con Henry DeWolf Smyth en la separación isotópica del uranio.
En 1967 asumió la dirección del Laboratorio Nacional de Aceleradores, posteriormente conocido como Fermilab.
Se las arregló para completar la instalación a tiempo y dentro del presupuesto, pero al mismo tiempo la hizo estéticamente agradable, con un edificio administrativo principal que recordaba deliberadamente a la Catedral de Beauvais y una pradera restaurada con una manada de bisontes americanos.
Cambió de escuela con frecuencia, incluida la Todd School en Woodstock, Illinois,[3] donde trabajaba su abuela.
Para 1941, el proyecto había producido un dispositivo llamado "isotrón", que, a diferencia del calutrón, usaba un campo eléctrico para separar el uranio en lugar de uno magnético.
[10][7] El ciclotrón se usaría para medir la sección transversal de neutrones del plutonio.
Wilson ayudó a apilar cajas de explosivos para la prueba que la precedió.
Aceptó un nombramiento como profesor asociado en Harvard, pero pasó los primeros ocho meses de 1946 en Berkeley diseñando un nuevo ciclotrón de 150 MeV para Harvard para reemplazar el que se llevó a Los Álamos.
En Cornell, Wilson y sus colegas construyeron cuatro sincrotrones de electrones.
En 1969, Wilson fue llamado para justificar la máquina multimillonaria ante el Comité Conjunto del Congreso sobre Energía Atómica.
[25] Wilson había estudiado escultura en la Academia de Bellas Artes de Florencia en Italia durante su año sabático en 1961,[26] y quería que el Fermilab fuera un lugar atractivo para trabajar, creyendo que la armonía externa fomentaría la armonía interna también, y trabajó personalmente para evitar que parezca un "laboratorio gubernamental" estereotípico, desempeñando un papel clave en su diseño y arquitectura.
[27] El sitio también tenía estanques y un edificio principal que recordaba deliberadamente a la Catedral de Beauvais.
[29] El edificio del Laboratorio Central de Fermilab fue nombrado Robert Rathbun Wilson Hall en su honor en 1980.
[30] Wilson se desempeñó como director de Fermilab hasta 1978, cuando renunció en protesta por lo que consideró una financiación inadecuada por parte del gobierno federal.
[7] Wilson recibió muchos premios y honores, incluida la Medalla Elliott Cresson del Instituto Franklin en 1964, la Medalla Nacional de Ciencia en 1973 y el Premio Enrico Fermi del Departamento de Energía en 1984.
[32] En 1986, Wilson recibió el Golden Plate Award de la American Academy of Achievement.