Trefall fullførte doktorgraden i 1961. I april 1964 ble han professor og leder for det som senere ble den eksperimentelle avdeling B ved Fysisk institutt. Etter at han ble professor i eksperimentell fysikk, ble det i noen år drevet forskning innenfor kosmisk fysikk på 2 adskilte avdelinger ved instituttet (avdeling A ledet av Arvid Erdal og avdeling B ledet av Trefall).