高能物理與天體粒子物理學實驗領域是光電倍增管應用的主要領地
加拿大薩得伯里天文臺的中微子探測器位于安大略省薩得伯里附近深2100米的一個礦井里。探測器整個浸泡在30米高的裝滿普通水的圓柱形容器中，其主要部分是一個直徑12米的球形容器，里裝1000噸重水，容器周圍安裝了約9600只直徑8英寸的光電倍增管，用于探測中微子發生反應后在水中產生的切連科夫輻射。
2001年6月，薩得伯里天文臺發表測量結果，表明太陽中微子在到達地球途中，在三種不同“味”的中微子之間發生了相互轉化，即中微子振蕩，這一結果同時表明中微子是有質量的，而不是粒子物理學的標準模型中所預言的零質量粒子。加拿大女王大學的麥克唐納因此獲得了2015年諾貝爾物理學獎。
加拿大薩得伯里天文臺中微子探測器的光電倍增管陣列（圖片來自網絡）
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日本的超級神岡探測器位于神岡附近一個深1000米的廢棄砷礦中，主要部分是一個高41.4米、直徑39.3米的圓柱形容器，容器內裝有5萬噸高純度水，內壁安置了約11200只20英寸光電倍增管，用于探測中微子發生反應后在水中產生的切連科夫輻射，以及1900只朝外的8英寸光電倍增管，用于探測宇宙線。1998年，超級神岡憑借測量大氣中微子的比例發現了中微子振蕩現象，東京大學的梶田隆章教授因此榮獲了2015諾貝爾物理學獎。
超級神岡實驗的前身——神岡實驗采用了3千噸水和1000支20英寸光電倍增管，探測到了超新星中微子，梶田隆章的導師小柴昌俊因此獲得了2002年諾貝爾物理學獎。
日本超級神岡中微子探測器的光電倍增管陣列（圖片來自網絡）
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大亞灣中微子實驗位于廣東深圳大亞灣核電站內，在距反應堆360米到1900米的山腹中設立了三個實驗站，放置了8個110噸重的中微子探測器。每個探測器的內壁裝有196個8英寸光電倍增管，用來探測中微子在液體閃爍體中發出的閃爍光。2012年大亞灣實驗發現中微子振蕩的新模式，獲得美國基礎物理學突破獎和2016年中國國家自然科學一等獎。
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