高能物理与天体粒子物理学实验领域是光电倍增管应用的主要领地
加拿大萨得伯里天文台的中微子探测器位于安大略省萨得伯里附近深2100米的一个矿井里。探测器整个浸泡在30米高的装满普通水的圆柱形容器中，其主要部分是一个直径12米的球形容器，里装1000吨重水，容器周围安装了约9600只直径8英寸的光电倍增管，用于探测中微子发生反应后在水中产生的切连科夫辐射。
2001年6月，萨得伯里天文台发表测量结果，表明太阳中微子在到达地球途中，在三种不同“味”的中微子之间发生了相互转化，即中微子振荡，这一结果同时表明中微子是有质量的，而不是粒子物理学的标准模型中所预言的零质量粒子。加拿大女王大学的麦克唐纳因此获得了2015年诺贝尔物理学奖。
加拿大萨得伯里天文台中微子探测器的光电倍增管阵列（图片来自网络）
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日本的超级神冈探测器位于神冈附近一个深1000米的废弃砷矿中，主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器，容器内装有5万吨高纯度水，内壁安置了约11200只20英寸光电倍增管，用于探测中微子发生反应后在水中产生的切连科夫辐射，以及1900只朝外的8英寸光电倍增管，用于探测宇宙线。1998年，超级神冈凭借测量大气中微子的比例发现了中微子振荡现象，东京大学的梶田隆章教授因此荣获了2015诺贝尔物理学奖。
超级神冈实验的前身——神冈实验采用了3千吨水和1000支20英寸光电倍增管，探测到了超新星中微子，梶田隆章的导师小柴昌俊因此获得了2002年诺贝尔物理学奖。
日本超级神冈中微子探测器的光电倍增管阵列（图片来自网络）
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大亚湾中微子实验位于广东深圳大亚湾核电站内，在距反应堆360米到1900米的山腹中设立了三个实验站，放置了8个110吨重的中微子探测器。每个探测器的内壁装有196个8英寸光电倍增管，用来探测中微子在液体闪烁体中发出的闪烁光。2012年大亚湾实验发现中微子振荡的新模式，获得美国基础物理学突破奖和2016年中国国家自然科学一等奖。
