[論文レビュー] Muon Tomography sites for Colombia volcanoes

H. Asorey, Luis A. Núñez+6 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2017

Particle Detector Development and Performance参考文献 40被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、13のコロンビアの火山における宇宙線ミューオンフラックスを、地球磁気圏効果、空気降下ショワーの発展、検出器応答を考慮して詳細なモンテカルロシミュレーションによりモデル化する。現在の技術では、最適な地形とミューオンフラックスを備えるために、Cerro Machínが唯一実現可能なサイトであると特定され、露出時間の推定値と実用的な「目安」が提示された。

ABSTRACT

By using a very detailed simulation scheme, we have calculated the cosmic ray background flux at 13 active Colombian volcanoes and developed a methodology to identify the most convenient places for a muon telescope to study their inner structure. Our simulation scheme considers three critical factors with different spatial and time scales: the geomagnetic effects, the development of extensive air showers in the atmosphere, and the detector response at ground level. The muon energy dissipation along the path crossing the geological structure is modeled considering the losses due to ionization, and also contributions from radiative Bremstrahlung, nuclear interactions, and pair production. By considering each particular volcano topography and assuming reasonable statistics for different instrument acceptances, we obtained the muon flux crossing each structure and estimated the exposure time for our hybrid muon telescope at several points around each geological edifice. After a detailed study from the topography, we have identified the best volcano to be studied, spotted the finest points to place a muon telescope and estimated its time exposures for a significant statistics of muon flux. We have devised a mix of technical and logistic criteria --the ``rule of thumb'' criteria-- and found that only Cerro Machin, located at the Cordillera Central (4$^{\circ}$29'N 75$^{\circ}$22'W), can be feasibly studied today through muography. Cerro Negro and Chiles could be good candidates shortly

研究の動機と目的

• コロンビアの活火山の内部構造をイメージングするためのミューオントモグラフィーの実現可能性を評価すること。
• 地球磁気圏効果、大気中の空気降下ショワー、検出器応答を考慮した地上での宇宙線ミューオンフラックスをモデル化すること。
• 地質的構造を通過する際のミューオンエネルギー損失（イオン化、ブレムストラールャン、電子対生成、核反応）を評価すること。
• 地形的条件とミューオンフラックスの可用性に基づき、各火山周辺の最適なミューオン望遠鏡設置位置を特定すること。
• 将来のミューオグラフィー計画のための、技術的および物流的要因を統合した実用的基準（「目安」）を確立すること。

提案手法

• 地球磁気圏効果、大気中での広範な空気降下ショワーの発展、地上での検出器応答を統合した包括的なシミュレーションフレームワークを採用した。
• イオン化、ブレムストラールャン、電子対生成、核反応寄与を用いて、地質的媒体中を通過するミューオンのエネルギー損失をモデル化した。
• 現実的な地形的および大気的条件下で、13の活火山を通過するミューオンフラックスをシミュレーションした。
• 装置の受容角とフラックスレベルに基づき、統計的に有意なデータを取得するためのハイブリッドミューオン望遠鏡の必要露出時間を推定した。
• 地形的アクセス性、ミューオンフラックス強度、装置効率を組み合わせた多基準評価を用いて、潜在的な望遠鏡設置地点をランク付けした。
• 技術的および物流的要因を統合した実用的な「目安」を考案し、実現可能な設置場所を優先順位付けした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地形的条件とミューオンフラックスを考慮した場合、どのコロンビアの火山がミューオントモグラフィーに最も適しているか？
• RQ2 地球磁気圏効果と大気中での空気降下ショワー発展は、異なる火山サイトにおける地上でのミューオンフラックスにどのように影響するか？
• RQ3 ボルケーノの地質的構造を通過するミューオンの主なエネルギー損失機構は何か？
• RQ4 ハイブリッドミューオン望遠鏡が各サイトで十分な統計的有意性を得るために必要な露出時間はどの程度か？
• RQ5 技術的実現可能性と物流的実用性の両方を満たす、即時展開に適したサイトはどこか？

主な発見

• Cerro Machín（コルドン・セントラル、4°29'N, 75°22'W）は、現在の技術ではコロンビアで唯一ミューオントモグラフィーに実現可能なサイトとして特定された。
• シミュレーションにより、Cerro Machínにおけるミューオンフラックスは、現実的な露出時間内で画像化に十分な統計的有意性を提供することが示された。これはハイブリッドミューオン望遠鏡に適している。
• Cerro NegroおよびChilesは、将来的なミューオグラフィー研究のための有望な候補であるが、現在の装置ではまだ実現可能とは言えない。
• 地球磁気圏による偏光、空気降下ショワーの発展、検出器応答の複合的影響が、地上での有効ミューオンフラックスに顕著に寄与している。
• 「目安」基準は、ミューオンフラックスの可用性、地形的アクセス性、装置受容角のバランスを取ることで、サイトを効果的に優先順位付けした。
• 各サイトの露出時間推定値が得られ、Cerro Machínは、有意な統計的信頼性を達成するにあたり、最も好都合の露出時間要件を満たしていた。