[論文レビュー] Effect of pressure and temperature corrections on muon flux variability at ground level and underground

Mihailo Savić, A. Dragić+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ベルグラードの地上および地下施設におけるミューオンフラックス変動に対する圧力および温度補正の効果を、統合手法とGFS大気モデルを用いて評価した。併せて補正を施すことで大気由来のノイズが顕著に低減され、非大気的宇宙線変動への感度が向上し、補正後には中性子モニタデータとの相関性が向上したことが示された。

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.

研究の動機と目的

• 地上および地下の観測地点における大気圧および大気温がミューオンフラックス変動に与える影響を評価すること。
• GFS大気温度プロファイルを用いて、統合手法を応用して温度補正係数を算出すること。
• 気象ノイズを除去することで、ミューオンフラックス測定の非大気的宇宙線変動への感度を向上させること。
• スペクトル解析および中性子モニタデータとの相関を通じて、補正の有効性を検証すること。
• 低バックグラウンド環境における長期的宇宙線モニタリングに適した、データ駆動型の補正フレームワークを確立すること。

提案手法

• GFSモデルから得た大気温度プロファイルを用いて、統合手法を応用して温度補正係数を計算した。
• 気圧係数の式：(δI/I)ₚ = β·δP を用い、δP = P - P_B として、圧力に起因するフラックス変動を定量化した。
• 5つの地域局の気圧データを正規化し、5分間隔の解像度に補間することで、圧力および温度補正を統合した。
• 大気深さにわたる温度係数密度関数（α(h)）を統合して、(δI/I)ₜ = ∫₀ʰ₀ α(h)·δT(h)·dh を計算した。
• 6時間ごとのGFS温度データに対して3次スプライン補間を適用し、5分間隔の時間解像度を達成した。
• モデルの温度プロファイルをレーダゾンデデータと比較して検証し、最も低い等圧面レベルには地上測定値を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベルグラードの地上および地下における圧力および温度変動は、ミューオンフラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 圧力および温度補正を適用することで、ミューオンフラックス時系列における誤差的な変動はどの程度低減されるか？
• RQ3 GFSモデルはベルグラード地域におけるミューオンフラックス補正に十分な精度の温度プロファイルを提供できるか？
• RQ4 温度補正は、ミューオンフラックスにおける年周期成分のスペクトルパワーにどのように影響を与えるか？
• RQ5 補正後のミューオンフラックスは、中性子モニタデータとより良好な相関を示すか？これは、一次宇宙線変動への感度向上を示唆する。

主な発見

• 圧力および温度補正により、地上および25 m.w.e.の地下施設におけるミューオンフラックスの非宇宙線由来の変動が顕著に低減された。
• スペクトル解析により、温度補正後には年周期ピークのパワーが著しく低下しており、熱的モodulationの有効な除去が示された。
• 2008年から2015年の気圧係数は、正規化フラックスと圧力変動の線形フィットから導出され、図4に年次値が示された。
• 温度係数密度関数（図6）は、表面および地下条件で顕著な差を示しており、深さ依存の補正が妥当であることを裏付けた。
• 補正後のミューオンフラックス時系列は、2015年のBAKSAN中性子モニタデータと良好な一致を示した（図9）、一次宇宙線変動への感度向上を支持する。
• GFSモデルは補正用途に十分な温度プロファイルを提供しており、レーダゾンデデータと良好に一致したが、最も低い等圧面レベルを除いては。