(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ー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．この問題を解決するため、ミュオグラフィ自動処理データ閲覧システムを開発した．これは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，噴火様式や噴火推移の予測に必要な情報を提供することを目指すものである．これにより，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で検出し，噴火予測や防災対応に貢献することができる．
　2017年度までに第2世代のシステム（841画素）に対応したリアルタイム透視画像表示システムがウェブサイトに実装され，リアルタイムに最新情報に更新される画像を閲覧できる環境が実現された．2018年度は第3世代のシステム（24639画素）に対応したシステムへとアップグレード行い，登録ユーザーへと公開した（図3.8.4）．第2世代システム用に開発した，インタラクティブ解析ツールでは，(i) 期間を指定したミューオン飛跡数分布の生成，及び(ii) 角度領域を指定したミューオン飛跡数の時系列変化が表示可能であった。これらは，画素数が圧倒的に増えた第3世代システムでも，第2世代システムと同様の手順で同様の結果が得られる．

(b) 全方位ミュオグラフィによる火山観測研究

　火山体の内部構造は，火山噴火のダイナミクスを反映すると共に，火山活動の推移や歴史を記録している．噴火現象を理解する上で重要な情報の一つは，マグマを地表に供給するシステムである火道の形状，特に浅部の形状である．例えば噴火様式を決定する最重要なパラメータのひとつである噴出率は浅部火道形状に支配されている可能性が指摘されている(Costa et al., J. Volcanol. Geotherm. Res., 2007) ．爆発的噴火の時に噴煙が噴煙柱として上空にあがるか，火砕流として地表面を流れ下るかは，浅部の火口・火道形状に依存するという最新報告もある (Koyaguchi et al., J. Geophys. Res. : Solid Earth, 123, 2018, page7461–7482 & 7483–7508）．地震波などを用いたこれまでの観測方法では浅部における火山体の詳細な内部構造を知ることは難しい．
　これを可能にするのがミュオグラフィである．ただし，これまで行われてきた１方向からの観測による投影画像では，ミューオンの経路に沿った山体の積分密度しか得られず，２～３方向からのステレオ観測では火道を三次元的に解像できる空間分解能に達することができない．
　一方で近年，ミューオン観測装置の大量生産体制が進み，観測方位をこれまでと比べて10倍以上に増やす目処が付いた．人体におけるX線CT撮像のように火山山体をぐるりと囲むようにミューオン観測器を設置し，高解像度での３次元密度イメージングを可能にする「全方位ミュオグラフィ」観測の準備が進みつつある．
　全方位ミュオグラフィというこれまで実施されなかった観測手法について，世界に先駆けて実現可能性の検討が行われた(Nagahara and Miyamoto, 2018）．静岡県伊東市に位置する大室山スコリア丘に対してfiltered back projection法をベースにしたシミュレーション結果の例を図 3.8.5に示す．この研究によって次のことが判明した：
　１）三次元密度画像の再構成誤差は，観測方位が増えるほど小さくなるが，各投影観測における空間分解能より多くなるように設置しても改善は見られない．
　２）各観測方向におけるミューオン統計誤差が再構成画像に与える影響は，すべての観測装置でカウントされた総ミューオン数のみに依存する．
　大室山が実現可能性シミュレーションの評価対象として選ばれた理由は，最初の実証観測を行うにあたって理想的な条件が揃っているからである．大室山は外見上は、ほぼ軸対称な形状をしている．しかしながらこれまでの地質学・地形学的な研究調査から形成された噴火過程から，山体の内部構造に関わる以下のことが推測されている：a)噴火が進行して大型の山体と火口が成長した後，荷重と熱によって山体内の一部が溶結し，周囲より密度の高い層を形成した．b)噴火の末期に火口内に溶岩湖が形成され，その溶岩が火口底を突き抜け山体内部を通って西側の山麓に流れ出た．c)噴火の最終段階に至って主火口が閉塞した際に，ガスが逃げ場を求めて爆発したと見られる小火口が南側中腹に存在する．すなわち密度構造に異方性があり，かつ10メートルオーダーの空間スケールで溶岩・スコリア堆積部で0.5～1.0g/cm3程度の密度コントラストが期待される．これをイメージングすることができれば，本研究の目指す火道形状・密度構造の詳細な３次元イメージングが，一般的な活火山においても可能であることを実証することにつながる．大室山には，ミューオン観測器を設置する場所へのアクセスが容易であること，地形の観点からどの方向から大室山を見ても他の山などが影にならないこと，及び山体がそれほど大きくなく十分なミューオンシグナル量が見込めること，などのメリットもある．以上の計画・シミュレーション結果に加え，小型装置による３方向からの試験観測の結果が2018年度火山学会秋季大会で発表された．今後２年間で60方向から大室山を観測する準備が現在進められている．

(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，物質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が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分布を測定できる．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．

　ハイパーカミオカンデは，次世代のニュートリノ観測装置であり，スーパーカミオカンデの８倍もの巨大な有効体積と，高いエネルギー・角度分解能を備える．これを用いることで，地球液体核の化学組成に制限を与えられることが，これまでの研究から明らかとなっている．ハイパーカミオカンデは，2020年度より建設を開始することが既に決定されており，現在，様々な要素の詳細設計・研究開発が行われている．
　地震研究所では，ハイパーカミオカンデの主要構成要素である，光検出器の研究開発を，宇宙線研究所ほかと共同で行ってきた．今年度は特に，光電子増倍管の高感度化と雑音低減にとりくんだ．光検出器の高感度化及び雑音低減は，共に光検出器のガラス中に含まれる不純物の低減により達成される．ガラス中に含まれる鉄やチタンなどの不純物低減により，ガラスの透過率が向上し，感度の向上が見込まれている．また，光検出器の雑音の半分以上は，ガラス中の放射性不純物に起因することを解明した．加えて，ガラス中の放射性不純物の半分はガラス原料の硅砂に，残りはガラス溶融炉に用いられる煉瓦に由来していることが明らかとなった．この発見には地震研究所における精密化学分析が貢献した．2018年度の我々の研究から，ガラス原料・溶融炉の煉瓦の選別・高純度化によって，光検出器の高感度化と雑音低減が可能であることが明らかとなった．

　2019年度は，低雑音・高感度光検出器の試作，ハイパーカミオカンデの最終デザインを用いた，地球化学組成分布測定の感度見積もりを行う．

(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化学組成プロファイルを，2次元的に測定することが可能となる．

　今年度は月面の化学組成変化がどのようにスペクトルに影響するのかの見積もりを行った．特に，月表面の化学組成を変えると，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，月面の化学組成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．本手法によって，レゴリスに隠された月の海のマッピングが可能となると期待しており，それによって月の火成活動の歴史を明らかにしたいと考えている．
　また，インド工科大学(IIT)，インド物理学研究所(PRL)と共同で，インド宇宙研究機関(ISRO)に予算申請を行い，研究計画の一部が，Phase-1 R&Dとして承認された．今後も，インドの共同研究者と連携を取りつつ，本研究を推進していく．