[논문 리뷰] Effects of upward-going cosmic muons on density radiography of volcanoes

K. Jourde, Dominique Gibert외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 25.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 빛의 밀도 라디오그래피에서 화산의 밀도 단층촬영을 위한 뮤온 단층촬영 기술을 사용할 때, 상향 방향으로 움직이는 우주 뮤온이 중요한 노이즈 원천임을 규명한다. 상향 뮤온의 유량이 하향 뮤온을 모방하여 투과도 측정치에 최대 50%까지 편향을 일으킬 수 있음을 보여주며, 고해상도 시간 비행 측정을 통해 저자들은 재구성 오차를 줄이기 위한 통계적 보정 방법을 개발하고 검증하였다. 이로 인해 라 수프리에르 화산과 에트나 산과 같은 화산의 정확한 3차원 밀도 단층촬영이 가능해졌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 화산 밀도 라디오그래피에서 뮤온 단층촬영 데이터에 영향을 주는 상향 방향으로 움직이는 우주 뮤온의 영향을 규명하고 정량화하는 것.
• 상향 뮤온이 하향 뮤온을 모방함으로써 투과도 측정치에 심각한 편향을 유도하는 문제를 해결하는 것.
• 고해상도 시간 비행 데이터를 활용하여 상향 유량 오염을 제거하는 보정 절차를 개발하고 검증하는 것.
• 특히 마그마나 지열 과정과 관련된 미세한 밀도 대비를 감지하기 위한 화산 모니터링에서 정확한 3차원 밀도 재구성 보장.
• 후면 측면에 열린Atmospheric 볼륨을 향한 망원경을 설치한 현장 배치에서 상향 뮤온 유량 보정의 필요성을 입증하는 것.

제안 방법

• 시간 비행 차이를 기반으로 입자 궤적을 구분하기 위해 1 ns 해상도를 가진 3개의 탐지 매트릭스를 갖춘 뮤온 망원경을 사용하였다.
• 시간 비행 기준을 적용: 하향 뮤온의 경우 Δt = t_rear - t_front > 0, 상향 뮤온의 경우 Δt < 0.
• 라 수프리에르와 에트나 산의 데이터 세트를 통계적으로 분석하여 궤적 기울기와 시간 상관관계를 기반으로 상향 뮤온 유량을 분리하였다.
• 경로 차폐도와 투과도에 대한 다항식 피팅을 기반으로 한 보정 모델을 구현하였다.
• 해수면에서의 대기 뮤온 감쇠를 위한 Eq. 14a와 Tang 모델을 사용하여 원시 단층촬영 데이터에 보정을 적용하였다.
• 보정되지 않은 결과와 보정된 결과를 비교하여 밀도 변동성과 다양한 시점 각도 간 일관성을 평가함으로써 보정의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상향 방향으로 움직이는 우주 뮤온은 화산 밀도 라디오그래피에서 사용되는 하향 뮤온 유량에 얼마나 심각하게 오염을 유발하는가?
• RQ2 망원경의 방향과 둘레의 대기 볼륨에 따라 상향 뮤온 유량의 강도는 어떻게 변하는가?
• RQ3 현장 조건에서 고해상도 시간 비행 측정을 통해 상향 뮤온과 하향 뮤온을 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?
• RQ4 상향 뮤온 유량은 단층촬영 영상에서 재구성된 투과도 및 밀도 값에 어떤 정량적 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 통계적 보정 방법은 3차원 단층촬영에서 정확한 밀도 분포를 복원하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 라 수프리에르와 에트나 산에서 현장 실험에서 상향 뮤온이 검출되었으며, 특정 방향에서는 총 유량의 최대 50%에 이르는 밀도를 보였다.
• 상향 유량은 투과도 재구성에 심각한 편향을 유도하였으며, 보정 비율은 1.0(보정 없음)에서 1.5까지 변화하였으며, 이는 1000 m의 장애물(투과도 ~1500 hg·cm⁻²)에 해당한다.
• 200 m에서 1000 m 사이의 장애물(투과도 300에서 1500 hg·cm⁻² 사이)에서는 보정 계수가 1.0에서 1.5로 증가하여 경로 길이와 밀도에 강한 의존성을 보였다.
• 보정이 없이 원시 단층촬영 결과에서는 특히 뒤쪽 장애물이 많은 영역에서 수평선 근처에서 밀도가 0.5 g·cm⁻³로 물리적으로 비합리적인 감소가 관찰되었다.
• 보정을 적용한 후에는 밀도 변동성이 크게 감소하였으며, 특히 β가 50°에서 85° 사이일 때 다양한 시점 각도 간 일관성이 향상되었다.
• 강한 뒤쪽 장애물과 긴 대기 경로 길이로 인해 상향 유량이 가장 강한 영역에서 보정이 가장 효과적이었으며, 기울기가 급격한 상향 궤적(α_F < -10°)에서는 효과가 떨어졌다.