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

A. Vesga-Ramírez, D. Sierra-Porta+7 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、宇宙線ミューオンの詳細なモンテカルロシミュレーションを用いて、コロンビアの13の活火山におけるミューオントモグラフィーの最適観測地点を同定する。ミューオンエネルギー損失、地球磁場効果、大気シャワー発展をモデル化することで、著者らは現在、114–150 mの深さに設置されたハイブリッド望遠鏡を用い、1ピクセルあたり100個のミューオンを取得するのに100–125日間のデータ取得を要するが、唯一、セルロ・マチニがミューオントモグラフィーに実現可能であると判明した。

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におけるミューオントモグラフィーの最適な観測地点を同定すること。
• 宇宙線相互作用の詳細なシミュレーションを用いて、火山体から発生するミューオンフラックスを推定すること。
• 統計的に有意なミューオンフラックス測定を達成するためのデータ収集時間を、ハイブリッドミューオン望遠鏡を用いて推定すること。
• 地形的要因とバックグラウンドフラックスを考慮した場合、アンデス地方の浅い火山構造物に対する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。

提案手法

• 大気シャワー発展と地球磁場効果をモデル化するため、CORSIKAおよびMAGNETOCOSMICSを用いて宇宙線ミューオンフラックスをシミュレートした。
• イオン化、放射損失、および核反応寄与を含むエネルギー損失式を用いて、ミューオンが火山岩を通過する際の伝播を追跡した。
• 地球内部の地質的構造を通る経路に沿ったミューオンエネルギー損失を統合し、潜在的観測点での発生フラックスを計算した。
• 可変な受容角を持つハイブリッドミューオン望遠鏡モデルを適用し、1ピクセルあたり100個のミューオンを検出するための露出時間推定を行った。
• 地形データを用いて遮蔽効果を評価し、ミューオンフラックスの減衰が最小限となる遮断のない観測地点を同定した。
• 技術的および運用的基準を組み合わせた「経験則」的手法を適用し、複数の地点における実現可能性を順位付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオンフラックスと観測地点へのアクセス性を考慮した場合、どのコロンビアの火山がミューオントモグラフィーにおいて技術的に実現可能であるか？
• RQ2 統計的に有意なミューオンフラックス測定を達成するための最小データ収集時間は、潜在的観測地点でどの程度か？
• RQ3 地球磁場効果および大気シャワー発展は、高地の火山観測地点におけるミューオンフラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 地形的要因がミューオンをどの程度遮蔽するか、そしてその影響が火山体内の密度変化の検出可能性にどのように作用するか？
• RQ5 十分な空間分解能と感度を備えたミューオントモグラフィーは、火山の導管内の浅い密度構造を解像可能か？

主な発見

• 地形的条件およびミューオンフラックスの観点から、セルロ・マチニ（4°29′N, 75°22′W、コルドイラ・セントラル）が唯一、現在のところミューオントモグラフィーに実現可能な火山である。
• 1ピクセルあたり100個のミューオンを取得するための最小データ収集時間は、観測地点および望遠鏡受容角に応じて100～125日間の範囲に推定される。
• 真上付近（82°–84°の天の川角度）の高エネルギーミューオン（10 TeV）は、当該地点で1平方メートルあたり1日あたり約10個のフラックスを示す。
• ミューオンエネルギー損失は主にイオン化損失に起因し、岩を通過する経路で放射損失および核反応寄与が顕著に寄与する。
• 更新された地下ミューオン伝播コードを用いたシミュレーション結果の妥当性を確認し、露出時間推定値の妥当性が裏付けられた。
• セルロ・ネグロおよびチレスは、将来的に装置の改善とアクセス性の向上により、実現可能候補となる可能性がある。