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Jul 03, 2023

地球、風、水: 宇宙ミュオンが火山やサイクロンなどの研究にどのように役立っているか

マイケル・アレンは、火山や熱帯低気圧をより深く理解するためにミューオン・トモグラフィーを使用している物理学者に語りながら、自然災害の深部を覗き込んでいます。

マイケル・アレン火山や熱帯低気圧をより深く理解するためにミュオントモグラフィーを使用している物理学者に語りかけながら、自然災害の深層を見つめる

科学者や技術者は、火山などの自然災害によって引き起こされる人命や財産への被害を軽減するために、より優れた早期警報システムの構築に常に努めています。 研究者がますます注目している技術の 1 つは、さまざまな意味で天から与えられたものです。 これには、宇宙線（主に超新星などの現象から発生する高エネルギー陽子）が大気中の高さ 15 ～ 20 キロメートルの原子と衝突するときに生成される素粒子であるミュオンの使用が含まれます。

地球の大気は常にこれらの一次宇宙線にさらされており、その衝突によって電子、パイオン、ニュートリノ、ミューオンなどの二次粒子のシャワーが生成されることがわかっています。 実際、これらの二次宇宙線からのミューオンは毎分 10,000 個もの数が地表の 1 平方メートルに降り注いでいます。 これらの粒子は電子とすべて同じ特性を持っていますが、質量が約 200 倍であるため、固体構造中を電子よりもはるかに遠くまで移動できることを意味します。

しかし、ミューオンがプローブとして興味深いのは、ミューオンとミューオンが通過する物質との間の相互作用がそのフラックスに影響を及ぼし、密度の高い物体は密度の低い構造よりも多くのミューオンを偏向して吸収するためです。 このフラックスの違いは、「ミュオグラフィー」として知られる技術で火山の内部構造を画像化するために使用されています。 この用語は 2007 年に東京大学の田中裕之とその同僚によって造られ、彼らは火山内の空隙や空洞がこの技術で検出できることを最初に実証しました (Earth Planet. Sci. Lett.2631-2)。

ミューオントモグラフィーとしても知られ、検出器を使用してミューオンが通過した物体の逆密度マップを作成します。 より多くのミューオンがセンサーに当たるスポットは構造の密度が低い領域を表し、ミューオンが少ないほど密度の高い部分が強調表示されます。 タナカ氏らは、ミュオグラフィーと AI 深層学習畳み込みニューラル ネットワークを組み合わせて火山噴火の予測を試みたことさえあります。 2020年、彼らはこの技術を使用して、世界で最も活発な火山の1つである、過去10年間で7000回噴火した日本南部の桜島火山（上記参照）を研究した（Sci. Rep.105272）。

フランスのリヨンにある 2 つの無限物理学研究所 (IP2I) の素粒子物理学者、ジャック マルトー氏によると、ミュオグラフィーは X 線撮影と非常に似ています。 「これは、医療画像からの X 線を別の粒子、つまりミューオンに置き換えます」と彼は言います。 「ミュオグラフィーは基本的に、X 線イメージングとまったく同じ方法で物体の密度をスキャンするイメージング プロセスです。」

ミュオグラフィーは、X 線イメージングとまったく同じ方法で物体の密度をスキャンするイメージング プロセスです。

ミュー粒子の検出にはいくつかの異なる装置が使用できますが、そのほとんどは CERN の大型ハドロン衝突型加速器などの素粒子物理学実験の一環として開発されました。 しかし、火山の画像化に関しては、最も一般的に使用される検出器はシンチレーターの層で構成されています。 ミューオンが検出器を通過すると、各層がフラッシュ光を生成し、これらを合わせて粒子の入射軌道を再構築するために使用できます。 検出器は火山の下部斜面に設置され、火山を通過するミュー粒子を検出できるように角度が付けられています。

しかし、ミュオグラフィーは火山の内部構造を画像化するためにだけ使用されているわけではありません。 研究者らはまた、この技術を利用して、マグマの上昇に関連する火山内の密度の変化や、マグマの形状、熱水活動、空洞や火道内の圧力の変化を検出している。

イタリアのローマにある国立地球物理火山研究所の研究主任ジョバンニ・マセドニオ氏は、火山の研究と監視には主に 3 つの技術があると説明しています。 一つは地震データを活用することです。 もう 1 つは衛星を使って地盤の変形を測定することであり、3 つ目は火山内の流体の地球化学を分析することです。