[논문 리뷰] Effect of pressure and temperature corrections on muon flux variability at ground level and underground

Mihailo Savić, A. Dragić외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 31.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 부르사에서 지상 및 지하에서의 뮤온 플럭스 변동성에 대한 압력 및 온도 보정을 적분 방법과 GFS 대기 모델을 사용하여 평가한다. 보정을 통합함으로써 대기로 인한 노이즈가 크게 감소하고, 비대기성 우주선 변동성에 대한 민감도가 향상되며, 보정 후 뉴트론 모니터 데이터와의 상관관계가 향상됨을 보여준다.

ABSTRACT

In Low Background Laboratory at Institute of Physics Belgrade, plastic scintillators are used to continuously monitor flux of the muon component of secondary cosmic rays. Measurements are performed on the surface as well as underground (25 m.w.e depth). Temperature effect on muon component of secondary cosmic rays is well known and several methods to correct for it are already developed and widely used. Here, we apply integral method to calculate correction coefficients and use GFS (Global Forecast System) model to obtain atmospheric temperature profiles. Atmospheric corrections reduce variance of muon flux and lead to improved sensitivity to transient cosmic ray variations. Influence of corrections on correlation with neutron monitor data is discussed.

연구 동기 및 목표

• 지상 및 지하 위치에서 대기압과 온도가 뮤온 플럭스 변동성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• GFS 대기 온도 프로파일을 사용하여 온도 보정에 적분 방법을 적용하는 것.
• 기상학적 노이즈를 제거하여 뮤온 플럭스 측정의 비대기성 우주선 변동성에 대한 민감도를 향상시키는 것.
• 스펙트럼 분석 및 뉴트론 모니터 데이터와의 상관관계를 통해 보정 효과를 검증하는 것.
• 저배경 지역에서 장기적인 우주선 모니터링을 위한 강력하고 데이터 기반의 보정 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• GFS 모델에서 제공하는 대기 온도 프로파일을 사용하여 온도 보정 계수를 계산하기 위해 적분 방법을 적용하였다.
• 기압 계수 공식: (δI/I)ₚ = β·δP, 여기서 δP = P - P_B를 사용하여 압력에 의한 플럭스 변동을 정량화하였다.
• 다섯 개의 현지 기상관측소의 기압 데이터를 정규화하고 5분 간격으로 보간하여 기압 및 온도 보정을 통합하였다.
• 대기 깊이에 걸쳐 온도 계수 밀도 함수(α(h))를 적분하여 (δI/I)ₜ = ∫₀ʰ₀ α(h)·δT(h)·dh를 계산하였다.
• 6시간 간격의 GFS 온도 데이터를 삼차 스퍼인 보간을 사용하여 5분 간격의 시간 해상도로 변환하였다.
• 모델의 대기 온도 프로파일을 라디오소운 데이터와 비교하여 검증하였으며, 가장 낮은 등압면 수준에는 지상 측정값을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력 및 온도 변동은 벨그레이드의 지상 및 지하 위치에서 뮤온 플럭스에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 압력 및 온도 보정을 적용할 경우, 뮤온 플럭스 시간 시리즈에서 허위 변동성이 얼마나 감소하는가?
• RQ3 GFS 모델은 벨그레이드 지역에서 뮤온 플럭스 보정을 위해 충분히 정확한 대기 온도 프로파일을 제공하는가?
• RQ4 온도 보정은 뮤온 플럭스의 연간 주기성의 스펙트럼 파wer에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 보정된 뮤온 플럭스는 뉴트론 모니터 데이터와 향상된 상관관계를 보이며, 주 우주선 변동성에 대한 민감도 향상을 나타내는가?

주요 결과

• 압력 및 온도 보정은 지상 및 25 m.w.e. 지하에서 비우주선 기인 변동성을 크게 감소시킨다.
• 스펙트럼 분석 결과, 온도 보정 이후 연간 주기성 피크의 파워가著명하게 감소하여 열적 조절 효과가 효과적으로 제거되었음을 시사한다.
• 2008–2015년 동안의 기압 계수는 정규화된 플럭스 대 기압 변화의 선형 회귀를 통해 유도되었으며, 연별 값은 그림 4에 기재되어 있다.
• 온도 계수 밀도 함수(그림 6)는 표면 및 지하 조건 간에 뚜렷한 차이를 보이며, 깊이에 따라 다른 보정이 필요하다는 것을 뒷받침한다.
• 보정 후 뮤온 플럭스 시간 시리즈는 2015년 BAKSAN 뉴트론 모니터 데이터와 향상된 일치를 보이며, 그림 9에 나타나 있듯이 주 우주선 변동성에 대한 민감도 향상을 뒷받침한다.
• GFS 모델은 보정 목적으로 충분히 적합한 온도 프로파일을 제공하며, 라디오소운 데이터와의 일치도 양호하나, 가장 낮은 등압면 수준에서는 다소 차이가 있다.