Il passa l'essentiel des années de guerre auDugway Proving Ground dans l'Utah, observant les résultats d'essais d'armes chimiques et explorant le bassin duGrand Lac Salé pour rechercher des traces de son prédécesseur, lelac Bonneville.
Davis relate qu'on lui avait demandé« de trouver quelque chose d'intéressant pour y travailler », et il dédia sa carrière à l'étude desneutrinos, particules dont l'existence avait été prédite pour expliquer le processus de laradioactivité β, mais dont l'existence séparée n'avait pas été confirmée. Davis tenta de détecter les neutrinos par la radioactivité bêta inverse, réaction par laquelle un neutrino fournit assez d'énergie à un noyau pour transformer certainsisotopes stables en isotopes radioactifs.
Comme la cinétique de cette réaction est très lente, le nombre d'atomes radioactifs créés dans les expériences sur les neutrinos est très faible, et Davis commença à étudier les taux des réactions autre que la radioactivité β inverse qui pourraient imiter le signal des neutrinos. Utilisant des bidons et des réservoirs detétrachlorure de carbone comme détecteurs, Davis étudia le taux de production d'argon37 en fonction de l'altitude et en fonction de la profondeur sous la surface du sol. Il installa un détecteur contenant des atomes dechlore sur le réacteur de Brookhaven en 1954 et ensuite sur un des réacteurs du laboratoire de Savannah River. Ces expériences échouèrent à détecter une production plus importante d'argon radioactif quand les réacteurs étaient en service que lorsqu'ils étaient à l'arrêt, et ce constat fut considéré comme la première preuve expérimentale que les neutrinos (qui réagissent avec les atomes de chlore) et les antineutrinos (que produisent les réacteurs) étaient distincts. La détection des neutrinos se révéla beaucoup plus difficile que la non détection des antineutrinos. Davis fut le scientifique à l'origine de l'expérience Homestake, un très grand détecteur radiochimique de neutrinos qui détecta pour la première fois les neutrinos dusoleil.
(en)Autobiographie sur le site de lafondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — leNobel Lecture — qui détaille ses apports)
