考恩-莱因斯中微子实验是由克莱德·考恩和弗雷德里克·莱因斯于1956年进行的，前者毕业于圣路易斯华盛顿大学，后者毕业于纽约大学。该实验证实了中微子的存在。中微子作为一种不带电荷以及质量非常小的亚原子微粒，在20世纪30年代就被假定为β衰变过程中的一种重要粒子。由于既没有质量也没有电荷，这样的粒子似乎是不可能被检测到的。这个实验利用了来自附近的核反应堆的巨大的（假设存在的）反电子中微子流，以及一个由大水箱组成的探测器。中微子与水的质子发生的相互作用在实验中被观察到，这种粒子的存在和基本性质也首次得到验证。
在20世纪10年代和20年代，对来自核β衰变的电子的观察表明，它们的能量是连续分布的。如果这个过程只涉及原子核和电子，那么电子的能量将集中在一个单一的窄峰上，而不是呈现出连续的能谱。只有反应产生的电子被观察到，所以电子那变化的能量表明能量可能是不守恒的。[1]这个窘境和其他因素导致沃尔夫冈·泡利在1930年尝试通过假设中微子的存在来解决这个问题。如果要保持能量守恒的这个基本原理的成立，那么β衰变就必须是三体过程而不是二体过程。因此，除了电子，泡利提出在β衰变中还有另一个粒子从原子核中被发射出来。这个后来被称为中微子的粒子的质量非常小，而且没有电荷；它没有被观测到，但携带了那部分丢失的能量。
泡利的建议于1933年被恩利克·费密发展成一个β衰变理论。[2][3]该理论假设β衰变过程涉及到四个直接相互作用的费米子。通过这种相互作用，中子直接衰变为一个电子、一个假设的中微子（后来被确定为反中微子）以及一个质子。[4]该理论被证明非常成功，它依赖于假设的中微子的存在。费米一开始是将他的“暂定的”β衰变理论投稿到《自然》杂志，但后者拒绝了它，理由是“因为它包含的猜测与现实太过遥远，读者不会感兴趣”。[5]
中微子猜想和费米理论的一个问题是中微子与其他物质的相互作用似乎非常弱，以至于它永远不会被观察到。在1934年的一篇论文中，鲁道夫·佩尔斯和汉斯·贝特计算出中微子可以很轻易地穿过地球而不会与任何物质发生相互作用。[6][7]
通过逆β衰变，被预测存在的中微子（更准确地说是一个反电子中微子( )）应该与质子(p)发生相互作用，并产生一个中子(n)和一个正电子( )，
这种反应发生的可能性很小。任何给定反应发生的概率与其截面成正比。考恩和莱因斯预测这个反应的截面大约是6×10−44 cm2。在核物理中截面的通常单位是靶恩，它是1×10−24 cm2，比前者大了20个数量级。
尽管中微子相互作用的概率很低，但其相互作用的特征是独特的，这使得探测这种罕见的相互作用成为可能。正电子（与电子相对应的反物质）很快地与附近的任何电子发生反应，最后两者共同湮灭。一对一起出现的γ射线（γ）是可以被探测到的。中子可以被适当的原子核俘获并释放第三个γ射线，这被用于中子探测。正电子湮灭和中子俘获事件的共同出现是反中微子相互作用的独特特征。
一个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，水的大多数氢原子有一个质子作为原子核。这些质子可以作为反中微子的靶标，因此普通的水就可以作为主要探测材料。氢原子在水中只受到非常弱的束缚，因此它们可以在中微子相互作用中被视为自由质子。中微子与较重原子核（即含有若干个质子和中子的原子核）之间的相互作用机制更复杂，因为作为组成部分的质子被强烈地束缚在原子核内。
鉴于单个中微子与质子发生相互作用的可能性很小，要观测中微子只能借助于巨大的中微子流。从1951年开始，考恩和莱因斯（他们当时都是洛斯阿拉莫斯 （新墨西哥州）的科学家）最初认为来自原子武器测试的中微子爆发可以提供所需的中微子流。[8]根据洛斯阿拉莫斯物理部门负责人J. M. B. 凯洛格的建议，他们最终使用核反应堆作为中微子源。该反应堆的中微子流量为5×1013个中微子每秒每平方厘米，[9]远远高于从其他放射源获得的任何中微子通量。他们在实验中使用了由两个水箱组成的探测器，水中的质子提供了大量潜在的靶标。
在中微子与水中的质子相互作用的罕见情况下，中子和正电子产生了。正电子湮没所产生的一对伽马射线是通过将水箱夹在充满液态闪烁体的水箱之间被探测到的。闪烁体材料响应伽马射线而发出闪光，这些闪光由光电倍增管探测到。
对来自中微子相互作用的中子的额外探测为我们提供了第二层确定性。考恩和莱因斯通过将氯化镉（CdCl2）溶解在水箱中来探测中子。镉是一种高效的中子吸收剂，它吸收中子时会发出伽马射线。
实验的安排是这样的：在中微子相互作用事件之后，来自正电子湮灭的一对伽马射线将被检测到，接着是几微秒后出现的来自中子被镉吸收所产生的伽马射线。
考恩和莱因斯设计的实验使用了两个水箱，总共大约200升水，以及大约40千克的溶解在水中的氯化镉。水箱被夹在三个闪烁体之间，后者包含110个5英寸（127 mm） 光电倍增管。
克莱德·考恩于1974年去世，享年54岁。1995年，弗雷德里克·莱因斯因其在中微子物理方面的工作获得了诺贝尔物理学奖。[7]
后续的几个实验探索了使用通常基于水的大规模探测器进行中微子研究的基本策略，[7]包括欧文-密歇根-布鲁克海文探测器、神冈天文台、萨德伯里中微子观测站和霍姆斯特克实验。霍姆斯特克实验是一项当代实验，它探测的目标是产生于太阳核心的核聚变的中微子。像这样的天文台于1987年探测到了来自超新星 SN 1987A的中微子爆发，这标志着中微子天文学的诞生。通过观察太阳中微子，萨德伯里中微子观测站证明了中微子振荡的存在。中微子振荡表明中微子不是无质量粒子，这是粒子物理学的一个巨大进展。[12]
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