最初，神岡實驗的設計是為了觀測質子的衰變，必須排除來自其他輻射雜訊的干擾，而深入地下一公里。小柴昌俊的團隊花了兩年，可是找不到質子衰變的跡象。於是轉移目標，又花了兩年改善提升儀器的靈敏度，準備觀測來自太陽內部核融合反應所產生的微中子。一九八七年二月，設備完成改善並運轉。就在此時，一位天文學家給在神岡做研究的朋友發來傳真信說：「大麥哲倫星雲內發生超新星爆炸，你們有看到嗎？」這次超新星爆炸，在十六萬光年之外，人生百年難得一見，根據理論會放出大量光子和大量高能量微中子。神岡的研究者取出實驗記錄磁帶送回到二百多公里之外的東京大學本部做分析，證實在十秒間共觀測到來自超新星的十一個微中子。當時，小柴再過一個月就要由東大退休了，這真是從天而降的禮物。神岡設施也意外地變身為「微中子天文觀測站」，吸引了國外的支持合作。
從前人們觀測星空，只能使用天文望遠鏡，利用可見光、無線電波來探索宇宙和天體之謎。小柴昌俊利用神岡町礦山地下的實驗設備，偵測到來自遙遠星空的微中子，得以藉之研究天體物理，開拓了「微中子天文學」的領域，他的學生戶塚洋二著書《從地下探索天上的奧秘》，回顧了他們從基本粒子研究轉向探索宇宙物理的歷程。小柴昌俊因此得到日本國民的最高榮譽「文化勳章」，也得到以色列的沃爾夫獎。
小柴常對學生提示兩件事：其一，「我們是用國民納稅的血汗錢來追求我們的夢想，買儀器時要努力省錢，不可依生意人所開的價格。」得獎後，他特別感謝濱松公司，當年為製造實驗所需的大型光電子倍增管，容忍了他的無理要求，賠了三億日圓，交出成品，成就了神岡實驗。其二，「想成為研究者，先要隨時抱著三、四個有希望的「研究鳥蛋」，機緣成熟時，該會有鳥破殼飛出吧。」好好把握，幸運會來拜訪有準備的人。
大學時代，小柴必須打工維持家中生計，很少去上課，他在2001年東大畢業典禮中應邀致詞時，特意展示他的「爛成績單」。他說：「成績單不是未來人生的保證。」
記者問他何以能得到諾貝爾獎，小柴回答：「白天專心做研究，回家後看水戶黃門（指為民除害的德川光國，可說是，日本的包青天）電視劇。」記者再問：「為什麼愛看水戶黃門？」小柴說：「看到壞傢伙被好人抓起來，就覺得很開心。」
神岡實驗的中挫與復原
自1930年，沃爾夫岡·包立(Pauli)為了解釋原子核的貝他衰變，而提出了微中子(neutrino) 存在的假說。直到1956年，物理學家才從核反應堆中的誘發反應，得在微中子存在的證據。
