[論文レビュー] Effects of upward-going cosmic muons on density radiography of volcanoes

K. Jourde, Dominique Gibert+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ボルケーノ密度レントゲン撮影におけるミューオントモグラフィーを用いた研究で、上向きに進行する宇宙線ミューオンが、ノイズの主要因であることを特定した。上向きミューオンのフラックスが下向きミューオンと類似した挙動を示し、透過率測定に最大50%のバイアスを引き起こす可能性があることを示した。高時間分解能の飛行時間測定を用いて、著者らは統計的補正手法を開発・検証し、再構成誤差を低減させ、ラ・スフリエール火山やエトナ山のようなボルケーノの正確な3次元密度トモグラフィーを可能にした。

ABSTRACT

Muon tomography aims at deriving the density structure of geological bodies from their screening attenuation produced on the natural cosmic muons flux. Because of their open-sky exposure, muons telescopes are subject to noise fluxes with large intensities relative to the tiny flux of interest. A recognized source of noise flux comes from fake tracks caused by particles that fortuitously trigger the telescope detectors at the same time. Such a flux may be reduced by using multiple-detector telescopes so that fortuitous events become very unlikely. In the present study, we report on a different type of noise flux caused by upward-going muons crossing the detectors from the rear side. We describe field experiments on La Soufriére of Guadeloupe and Mount Etna, and give details on the high-resolution clocking system and the statistical procedure necessary to detect upward-going muons. We analyse several data sets acquired either in calibration or in volcano tomography situation. All data sets are shown clearly biased by upward-going noise flux whose intensity may amount to 50% of the measured total flux in given directions. Biases produced on density radiographies by this kind of flux are quantified and correction procedures are detailed. Examples for La Soufriére and Mount Etna are given.

研究の動機と目的

• ボルケーノ密度レントゲン撮影におけるミューオントモグラフィーのデータに及ぼす上向き宇宙ミューオンの影響を特定・定量すること。
• 上向きミューオンが下向きミューオンと類似した挙動を示し、透過率測定に顕著なバイアスを引き起こすという課題に対処すること。
• 高時間分解能の飛行時間データを用いて、上向きフラックスの汚染を除去する補正手順を開発・検証すること。
• 特にマグマや水熱活動に起因する微小な密度対比を検出可能な、火山観測における正確な3次元密度再構成を保証すること。
• 背面側に開かれた大気領域を向いた望遠鏡を設置する現地での応用において、上向きミューオンフラックスを補正する必要性を示すこと。

提案手法

• 1ナノ秒の時間分解能を持つ3つの検出マトリクスを備えたミューオン望遠鏡を用い、飛行時間差に基づいて粒子の軌道を区別した。
• 飛行時間基準を適用：前方（下向き）ミューオンでは Δt = t_rear - t_front > 0、後方（上向き）ミューオンでは Δt < 0 を満たす。
• ラ・スフリエールおよびエトナ山のデータセットを統計的に分析し、軌道の傾きと時間相関に基づいて上向きミューオンフラックスを分離した。
• 経路遮断量と透過率の関数としての補正比の多項式フィッティングに基づく補正モデルを実装した。
• 式14aと海面付近における大気ミューオン減衰のTangモデルを用いて、生データのトモグラフィーに補正を適用した。
• 補正の妥当性を確認するため、補正前と補正後のトモグラフィー結果を比較し、密度の揺らぎと異なる視点からの一貫性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上向き宇宙ミューオンは、ボルケーノ密度レントゲン撮影に用いられる下向きミューオンフラックスをどの程度汚染するか？
• RQ2 上向きミューオンフラックスの強度は、望遠鏡の向きや周囲の大気体積にどのように依存するか？
• RQ3 現地条件下で、高時間分解能の飛行時間測定により、上向きミューオンと下向きミューオンを信頼性高く区別できるか？
• RQ4 上向きミューオンフラックスは、トモグラフィー画像における再構成された透過率および密度値にどのような定量的影響を及ぼすか？
• RQ5 提示された統計的補正手法は、3次元トモグラフィーにおける正確な密度分布の回復にどの程度効果的か？

主な発見

• ラ・スフリエールおよびエトナ山の現地実験で上向きミューオンが検出され、特定の方向では測定された全フラックスの最大50％に達する強度を示した。
• 上向きフラックスは透過率再構成に顕著なバイアスを引き起こし、補正比は遮断長1000 m（透過率～1500 hg·cm⁻²）で1.0（補正なし）から1.5にまで上昇した。
• 遮断長200 m～1000 m（透過率300～1500 hg·cm⁻²）の範囲では、補正係数が1.0から1.5に増加し、経路長および密度に強く依存することが示された。
• 補正なしでは、特に後方遮断が強い領域で、水平方向付近に物理的に不自然な密度低下（0.5 g·cm⁻³）が観測された。
• 補正を施した後は、密度の揺らぎが著しく低減され、特にβが50°～85°の範囲で、異なる視点からの再構成密度値が一貫性を示した。
• 後方遮断が強く、大気路長が長い領域では、上向きフラックスが最も強く、補正が最も有効に作用したが、急勾配の上向き軌道（α_F < -10°）では効果が限定的であった。