(a) ミュオグラフィ自動処理データ閲覧システム
我が国は世界に先駆けて素粒子ミュオンによる火山透視（ミュオグラフィ）を成功させ、これまでにない解像度で火山浅部の内部構造を画像化した。例えば、浅間山では固結した溶岩の下にマグマ流路の上端部が可視化された。また、薩摩硫黄島ではマグマ柱上端部に発泡マグマが可視化された。これらはすべて静止画像であるが、2009年の浅間山噴火前後の火口底の一部に固結していた溶岩の一部が吹き飛んだ様子が透視画像の時系列変化として初めて可視化された。さらに、2013年には薩摩硫黄島においてマグマの上昇下降を示唆する透視映像が３日間の時間分解能で取得された。これらの成果は、ミュオグラフィが火山浅部の動的な構造を把握し、噴火様式の予測や、噴火推移予測に情報を提供できる可能性を示している。しかし、現状ではデータを即透視画像として提供する事が出来ていないため、火山学者が透視画像にアクセス出来る状況に無い。そのため、火山学者による透視画像の解釈がいっこうに進まず、火山活動とミュオグラフィ透視画像の関連について系統的に評価するまでに至っていない。
ミュオグラフィ自動処理データ閲覧システムは、噴火現象を含む火山活動の推移に伴う火口近傍の変化を、リアルタイムに噴火予測や防災に対応するため、ミュオグラフィ観測のデータ処理の自動化を行うことで、火山体浅部の構造を把握し、噴火様式の予測や、噴火推移予測に情報を提供することを目指すものである。2018年度までに、以下の機能がウェブ上に試験的に実装され、リアルタイムに最新情報に更新されている。
- 総ミュオンカウント数
- 停電等データ欠損情報 （年月日開始時刻-年月日終了時刻）
- 日毎の総ミュオンカウント数
- 日毎、層毎のミュオンカウント数
- 時間毎、層毎のミュオンカウント数
- ミュオン飛跡数分布の角度空間表示（方位角、仰角空間）
また、以下の対話形式のオンライン解析機能がウェブ上に試験的に実装されている。
- 期間を指定したミュオン飛跡数分布の生成
- 角度領域を指定したミュオン飛跡数の時系列変化（図 3.8.5）
現在、ミュオグラフィ観測のデータ処理の自動化は第2世代の装置に限られているが、2018年度は第3世代のミュオグラフィ観測のデータ処理の自動化を行い、ウェブ上に実装する。さらに、リモートセンシングを活用した火山観測技術開発グループ、地球化学的観測技術開発グループ、火山内部構造・状態把握技術開発グループとの共有を図り、異なる火山観測技術を用いる研究者との連携を強化する。
原子核乾板を用いたミューオン観測は，イタリア・シチリア島周辺に位置するストロンボリ火山で行われた．2012年にも原子核乾板を用いて同火山で観測が行われたが，背景ノイズ粒子の排除能力が十分な検出器構造ではなかったため，火口から下30mだけイメージングできなかった．今回は高い排除能力を持つ乾板と鉛板を多数重ね合わせる多層型(ECC)を設置し，火口から下100mまでの浅部火口形状の解像が期待される．設置は2017年11月下旬に行われた．今後の予定は，2018年3月中旬に回収し，現像を経て，画像解析が行われる．
[図 3.8.5]
(b) ミュオン検出器多点設置による火山CTイメージング技術の研究
ミュオグラフィを用いた3次元イメージングを試みた例としては，これまでに，2 方向からの観測を用いたTanaka et al.(2010)などの研究がある．そこでは透視対象内部の密度値をさまざまに仮定して，観測結果をもっともよく説明する構造を決定するというインバージョン手法が取られた．一方で近年，ミュオン検出器を火山周辺に多数設置できるような環境が整いつつある．このような状況を背景として，更なるミュオグラフィの空間分解技術の発展が期待される．具体的には火山を取り囲むようにミュオン検出器を多数設置し観測を行う，「ミュオンCT」の三次元密度構造再構成計算手法・実現可能性評価の研究が現在進められている．X線CTでも広く普及している密度構造再構成手法(ラドン変換と投影定理を用いる)をベースとして，山体の形状情報を用いた新しい再構成計算方法を開発することで，従来の手法よりも系統誤差が小さくなるシミュレーション結果が得られた．
また，具体的な観測を行う上でどれぐらいの精度で三次元密度構造を再現できるか実現可能性をシミュレーションで評価した．評価は静岡県伊東市に位置する大室山(単成火山，スコリア丘)を対象とした．理由は a) 小型で円錐形状に孤立しているため，山体を囲うようにして検出器を設置しやすい， b)スコリア丘の内部密度構造の観測は未だ行われたことがない，c)クレーター底に直径100m程度の高密度の溶結岩(密度2.0～2.5g/cm3)が存在する可能性が高く，山体の大部分をスコリア(1.0～1.5g/cm3)と比べ明確な密度コントラストが期待できるためである．合計有効面積10平米の検出器を16点，ミュオン露光期間100日間で観測した場合，溶結岩を(20m)3の空間分解能で有意に検出できることが判明した(論文執筆中)．今度は更なる再構成精度向上を目指すとともに，来年度以降，実際に多数のミュオン検出器を準備し大室山に設置することで，スコリア丘の密度構造基礎データを得ることを目指す．
(c) 大気ニュートリノおよび太陽ニュートリノを用いた，地球深部の化学組成・密度構造推定
低エネルギーのニュートリノは，断面積が極めて小さく，地球を容易に貫通するため，質量密度の測定には適さない．しかし，大気中で生成されたニュートリノの観測などにより，ニュートリノは質量を持ち，その結果，ニュートリノは伝播中に別のニュートリノに変化することが分かっている（ニュートリノ振動）．なお，この現象はスーパーカミオカンデによって発見され，その功績によって本学宇宙線研究所の梶田教授は２０１５年にノーベル賞を受賞したことで広く知られるようになった．
ニュートリノが他の種類のニュートリノに変化する割合は，ニュートリノと他のニュートリノの質量の差，エネルギー，伝播距離，媒質中の電子数密度で決まる．したがって，電子ニュートリノが他のニュートリノに変化する割合を，エネルギー毎に測定すれば，地球内部の電子数密度を測定できる．ニュートリノ振動測定で得られた電子数密度と，地震波測定等で得られている物質密度とを組み合わせることにより，地球内部の平均的な化学組成を測定することが可能となる．この手法を，既知の地球の物質密度分布と組み合わせることで，原子番号（Z）と原子量（A）との比（A／Z比）をイメージングすることも可能である．
今年度は、太陽ニュートリノと大気ニュートリノを組み合わせた、外核の化学組成測定、及び下部マントル中の水分量の測定の感度計算を行った。太陽ニュートリノは、両測定の感度向上に寄与するが、その度合いは検出器の系統誤差に依存する部分が大きいことが分かった。また、下部マントルの水分量測定についても、次世代の検出器では、統計誤差ではなく、ニュートリノ振動パラメータやCP対称性の破れの大きさに起因する系統誤差が支配的となることが分かった。
2018年度以降は，以下の項目について研究を行う.
- 各種系統誤差の現実的かつ詳細な見積もりを行う。
- 既存の観測データ(Super-KamiokandeやDeepCore)を複数組み合わせて，地球中心核の電子数密度ないし平均化学組成に制限を加えることを目指す。
(d) 宇宙線を用いた大気のない天体のトモグラフィー
地球大気中で生成されるミューオンのエネルギースペクトルと、大気のない天体表面で生成される宇宙線のエネルギースペクトルは大きく異なる。パイ中間子が崩壊してミューオンに変化する前に、物質内部の原子核と衝突することによって、また電離損失によって、エネルギーを失ってしまうため、大気のない天体表面では、エネルギーの低いミューオンしか生成されない。したがって、大気の存在しない天体表面のトモグラフィーには、ミューオンは適さない。
しかし、その効果を逆手にとって、大気のない天体表面のトモグラフィーを行うことは可能である。一次宇宙線が天体表面で生成した荷電パイ中間子が物体中を移動する距離は、ミューオンと同じく、密度に依存する。パイ中間子は十分にエネルギーを失ったのち、ミュー粒子へ、そして最終的には電子陽電子へと崩壊する。ここで生成された電子陽電子の一部は、月面から上方へ向かうため、月面から上方に向かう電子を観測することで、天体浅部の密度プロファイルないし平均密度を、2次元的に測定することが可能となる。
今年度は月をテーマとした研究を行った。特に、月表面の平均密度を変えると、上向き電子のエネルギースペクトルがどのように変化するかを調べた(図 3.8.6)。計算の結果、月面から100km上空の月周回軌道から、月面の平均密度の違いを測定することが原理的に可能であることが分かった。
2018年度以降は、インド工科大学(IIT)、インド物理学研究所(PRL)、インド宇宙研究機関(ISRO)等と共同で、本測定手法の有効性の詳細な評価を行い、有効性が確認されれば、検出器の設計に着手する。同時に、他の天体への応用可能性についても検討する。
[図 3.8.6]