¿Cómo podría detectarse la presencia de 3He en la superficie lunar?

La NASA [1] indica que el helio-3 se puede evaluar indirectamente midiendo la presencia de dióxido de titanio y las características del suelo ("madurez"), y la correlación se derivó del estudio de muestras de rocas lunares del Apolo. El helio-3 se "detecta" a través de un análisis remoto de estas características minerales y del suelo favorables. Usando datos sobre el nivel de titanio y las características del suelo de la nave espacial Clementine combinados con sus propias mediciones de microondas del espesor del regolito, Chang-e 1 produjo un mapa de concentraciones probables de helio-3 en el regolito [2, 3]. Aunque los lados cercano y lejano contienen cantidades aproximadamente iguales de helio-3 en general, las concentraciones más altas (o al menos, niveles de titanio y características del suelo más favorables) se encuentran en regiones del lado cercano que corresponden aproximadamente a los principales mares lunares. El mapa de Chang-e 1, tomado de [3], se muestra a continuación.

Referencias

1. Lunar Helium-3 and Fusion Power , Publicación de la NASA 10018 (1988), pág. 26

2. W.-Z. Fa y Y.-Q. Jin, "Inventario global de helio-3 en regolitos lunares estimado por un radiómetro de microondas multicanal en el satélite lunar Chang-E 1", Chinese Svience Bulletin 55, páginas 4005–4009 (2010). ( Enlace )

3. "Chang-e 1 Maps Moon's Helium-3 Inventory", http://lunarnetworks.blogspot.com/2010/12/change-1-maps-moons-helium-3-inventory.html?m=1

Respuesta basada en la realidad de @OscarLanzi

es completo y excelente!

En resumen, se conoce el flujo de 3He del Sol y se puede modelar la profundidad a la que esas partículas se incrustarán en la superficie del regolito y la tasa de calentamiento, enfriamiento y volcamiento del regolito por parte de los meteoritos.

Entonces, los métodos descritos en realidad no detectan 3He en absoluto, simplemente asumen que debe estar allí.

Aquí abordaré la parte "podría" de la pregunta.

¿ Cómo podría detectarse la presencia de 3He en la superficie lunar?

pero no he encontrado explicaciones publicadas sobre cómo la presencia y la concentración podrían o han sido detectadas.

Si quisiera encontrar evidencia directa de 3He en la Luna y tratar de hacer una medición cuantitativa de la misma , buscaría rayos gamma de ~21 MeV producidos por la captura de neutrones térmicos de 3He.

De los Niveles de Energía de los Núcleos de Luz; A=4 (1992) comenzando con la reacción #14: 3He(n, γ)4He, Qm = 20.578 y

Tabla 4.14: Valores medidos para la sección eficaz de captura de neutrones térmicos para la reacción 3H(n, γ) 4He

podemos ver que esta reacción que conduce a un rayo gamma distinto de alta energía (o su inversa de equilibrio detallado) tiene implicaciones astrofísicas y para el diagnóstico de los reactores de fusión , por lo que se ha estudiado ampliamente.

La sección transversal de captura radiativa de neutrones térmicos es de aproximadamente 60 micro-graneros ( sí ), que no es grande, pero tampoco es extremadamente pequeño.

El agua ha sido prospectada con éxito (?) En la luna a través de la dispersión energética de neutrones por protones (hidrógeno), pero no conozco el flujo de neutrones térmicos en la superficie de la Luna lo suficientemente bien como para estimar la tasa de rayos gamma esperada en órbita.

Dado que se espera que la cobertura sea amplia, no será más fuerte si estás a 1 metro por encima de la Luna que si estuvieras en órbita a 100 km por encima de ella, por la misma razón que una pared no se vuelve más brillante cuando caminas. Hacia eso. (cf. etendue )

Ahora, un detector que pueda capturar un rayo gamma de 20,6 MeV y determinar su energía con precisión será un desafío. Un centelleador grande y viejo de NaI funcionaría, pero tendría que ser bastante grande para contener la lluvia completa producida por un rayo gamma de tan alta energía. Para esta energía, uno podría buscar en los detectores de centelleo BGO (germinación de bismuto) de menor resolución, más pequeños porque el bismuto y el germanio tienen muchos más electrones y una carga nuclear más alta para detener la lluvia, pero quizás igual de pesados .

Si el fondo de rayos gamma es demasiado alto, necesitará un detector de rayos gamma con una resolución mucho más alta, para que un pico débil se destaque con mayor nitidez. Un detector de germanio (un gran diodo de polarización inversa de germanio de un solo cristal) proporcionaría una resolución mucho mayor, pero nuevamente tendría que ser extremadamente grande para contener toda la energía de un rayo gamma de 20,6 MeV la mayor parte del tiempo.

Fuente: Niveles de Energía de los Núcleos de Luz; A = 4 (1992)

Fig. 2: Los niveles de energía de 4He se trazan en una escala vertical dando la energía cm, en MeV, relativa a su estado fundamental. Las líneas horizontales que representan los niveles están etiquetadas con las energías de los niveles y los valores del momento angular total, la paridad y el isospín (Jπ, T). También se muestran las energías de umbral y las funciones típicas de excitación de objetivos delgados para algunas de las reacciones en el sistema 4He. Consulte la Fig. 1 para obtener más detalles sobre la notación y la Tabla 4.3 para obtener más información sobre los niveles, incluidos los anchos parciales y totales.