[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用详细的蒙特卡洛模拟，对13座哥伦比亚火山的宇宙射线μ子通量进行建模，考虑地磁效应、空气簇射发展及探测器响应。结果表明，目前仅Cerro Machín因地形和μ子通量最优而具备可行性，本文估算其暴露时间并提出一种实用的‘经验法则’以指导望远镜布设。

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

研究动机与目标

• 评估利用μ子层析成像技术对哥伦比亚活跃火山内部结构进行成像的可行性。
• 在考虑地磁效应、大气空气簇射发展及地面探测器响应的前提下，对地表μ子通量进行建模。
• 评估μ子在穿过地质结构过程中因电离、轫致辐射、对产生及核相互作用导致的能量损失。
• 基于地形和μ子通量可用性，确定每座火山周围最优的μ子望远镜布设位置。
• 建立一种实用的、结合技术和后勤因素的综合标准（‘经验法则’），以优先选择未来μ子成像任务的可行部署点。

提出的方法

• 采用综合模拟框架，整合地磁场效应、大气中广延空气簇射的发展过程以及地面探测器响应。
• 利用电离、轫致辐射、对产生和核相互作用的贡献，模拟μ子在地质介质中的能量损失。
• 在真实地形和大气条件下，模拟13座哥伦比亚活跃火山的μ子通量。
• 基于仪器接受度和通量水平，估算混合型μ子望远镜为获得统计显著数据所需的暴露时间。
• 应用多准则评估方法，结合地形可达性、μ子通量强度和仪器效率，对潜在望远镜站点进行排序。
• 开发一种实用的‘经验法则’，综合技术与后勤因素，以优先选择可行的部署位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于μ子通量和地形条件，哪些哥伦比亚火山最有利于μ子层析成像？
• RQ2 地磁效应和大气空气簇射发展如何影响不同火山站点的地表μ子通量？
• RQ3 μ子穿过火山地质结构时，主导的能量损失机制是什么？
• RQ4 混合型μ子望远镜在各站点需经历多长暴露时间才能收集足够统计量？
• RQ5 哪个站点在技术可行性与后勤实际性方面均满足立即部署的要求？

主要发现

• 位于Cordillera Central（4°29'N，75°22'W）的Cerro Machín被确定为目前唯一在现有技术条件下具备可行性进行μ子层析成像的站点。
• 模拟结果表明，Cerro Machín的μ子通量足以在合理暴露时间内提供成像所需的统计量，因此适合部署混合型μ子望远镜。
• Cerro Negro和Chiles被识别为未来μ子成像研究的有前途候选点，但目前尚不满足现有仪器的可行性要求。
• 地磁偏转、空气簇射发展及探测器响应的综合作用显著影响地表有效μ子通量。
• ‘经验法则’标准成功地通过平衡μ子通量可用性、地形可达性与仪器接受度，对站点进行了优先排序。
• 已为各站点推导出暴露时间估算值，其中Cerro Machín所需暴露时间最有利于实现显著的统计置信度。