[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用宇宙射线μ子的详细蒙特卡洛模拟，识别出在13座哥伦比亚活火山中进行μ子断层扫描的最佳观测地点。通过模拟μ子能量损失、地磁效应及大气簇射发展，作者确定目前仅Cerro Machín适合进行μ成像，需在114–150米深度的混合望远镜下采集100–125天数据，才能实现每像素100个μ子的测量。

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

• 确定哥伦比亚活火山中进行μ子断层扫描的最适观测地点。
• 通过详细模拟宇宙射线相互作用，估算从火山体中逸出的μ子通量。
• 确定使用混合μ子望远镜实现统计显著的μ子通量测量所需的采集时间。
• 综合地形和背景通量因素，评估安第斯地区浅层火山结构进行μ成像的可行性。

提出的方法

• 使用CORSIKA和MAGNETOCOSMICS模拟宇宙射线μ子通量，以模拟大气簇射发展和地磁效应。
• 利用能量损失方程追踪μ子在火山岩中的传播，包括电离、辐射和核相互作用贡献。
• 沿地质结构中的轨迹积分μ子能量损失，计算潜在观测点的逸出通量。
• 应用具有可变接受角的混合μ子望远镜模型，估算每像素检测到100个μ子所需的曝光时间。
• 利用地形数据评估屏蔽效应，识别受遮挡最少、μ子通量衰减最小的无遮挡观测点。
• 采用“经验法则”方法，结合技术和后勤标准，对多个地点的可行性进行排序。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于μ子通量和观测点可达性，哪些哥伦比亚火山在技术上适合进行μ子断层扫描？
• RQ2 在潜在观测点实现统计显著的μ子通量测量所需的最短数据采集时间是多少？
• RQ3 地磁效应和大气簇射发展如何影响高海拔火山观测点的μ子通量？
• RQ4 地形在多大程度上屏蔽μ子，这对火山体密度变化的可探测性有何影响？
• RQ5 μ成像能否以足够的空间分辨率和灵敏度解析火山管道中的浅层密度结构？

主要发现

• 仅位于Cordillera Central（北纬4°29′，西经75°22′）的Cerro Machín，由于有利的地形和μ子通量条件，目前是进行μ子断层扫描的可行选择。
• 每像素检测100个μ子所需的最短数据采集时间估计在100至125天之间，具体取决于观测点和望远镜接受角。
• 在天顶角82°–84°处，能量为10 TeV的高能μ子在该地点的通量约为每天每平方米10个。
• μ子能量损失主要由电离主导，沿岩石路径还存在显著的辐射损失和核相互作用贡献。
• 通过更新的地下μ子传播代码验证了模拟结果，确认了曝光时间估算的可靠性。
• 随着仪器改进和观测点可达性的提升，Cerro Negro和Chiles未来可能成为可行候选点。