La Lune est une sphère sans air faite d'une croûte rocheuse dense appelée régolithe. Lorsque des particules rapides venues de l'espace la percutent, des muons naissent dans le sol : des cousins instables des électrons, environ deux cents fois plus lourds. La plupart filent vers le bas et s'éteignent dans l'épaisseur. Mais ceux qui jaillissent vers le haut, dans le vide, parcourent des dizaines de kilomètres avant de se désintégrer. C'est eux que l'on propose de capturer.

L'idée est simple comme un sonar : les muons sont faiblement absorbés par la roche, mais les vides ou l'eau modifient leur flux. Un instrument placé au-dessus de la surface – sur un module d'atterrissage ou un satellite – compte les particules qui arrivent. Là où une grotte se cache sous le sol, les muons sont légèrement plus nombreux : ils n'ont pas eu à traverser une couche de roche supplémentaire. Là où il y a de l'eau, ils sont un peu moins nombreux : l'eau retient une partie des particules.

Les auteurs ont tout calculé sur un modèle informatique. Sur une plaine plate, le signal d'un vide de la taille d'une pièce apparaît en 40 à 50 secondes. De la glace d'eau à quelques mètres de profondeur laisse une trace plus faible, mais encore perceptible – après environ dix minutes d'accumulation de données. La sensibilité augmente si l'on élève le détecteur : en orbite à cent kilomètres, l'image devient plus nette, car davantage de muons ayant traversé le sol sous différents angles entrent dans le champ.

Cette « radiographie » à muons sera utile aux futures missions lunaires. Les grottes pourraient servir d'abris pour les bases, contre les radiations et les météorites. L'eau est une ressource pour respirer et pour le carburant. Et tout cela peut être exploré simplement en écoutant la « pluie » de particules que la Lune crée elle-même.