（a）ミュオグラフィ検出器　－ 並列ミュオグラフィの強化

　2006年に地震研究所が火山内部を世界に先駆けて描き出して以来，ミュオグラフィは急速に世界に広まりつつある．ミュオグラフィとは，宇宙線に含まれる高エネルギー素粒子・ミューオンの強い透過力を利用して，キロメートルを超えるサイズの巨大物体内部を透視し，その内部の密度構造を可視化する技術である．これまで第2世代システムのノイズ低減能力を強化することで2013年に薩摩硫黄島で発生した噴火において，マグマの昇降をとらえることに成功しているが，薩摩硫黄島は小規模火山として位置付けられるため，ミュオグラフィを桜島のような中規模火山に適用しようとすると，より厚い岩盤を通り抜けることができる極めて低強度のミューオンを一定時間内にできるだけ多く記録する必要がある．そのために2014年に設置された桜島ミュオグラフィ観測所（SMO）を観測装置の並列化により継続的に強化してきた．

　2015年から2017年にかけて学術交流協定，知的財産協定など種々の協定を締結してきたハンガリー科学アカデミーウィグナー物理学研究センターとの協働により，2017年には軽量高解像度ミュオグラフィ観測システム（Multi-wire-proportional-chamber-based Muography Observation System; MMOS）を開発した．これは軽量でありながらも第2世代システム以上の高いノイズ低減能力と従来技術を一桁以上凌駕する解像力を実現した．ただ，有感面積が不十分であったため，2018～2019年にかけて口径を順次拡大し，現在では5.9m²となっている．2019年度はこれをさらに拡大し，2020年に入るまでに総有感面積は9m²に到達した．また，2019年度には並列化に起因する故障率を低減する目的で複数台の観測装置すべての通信系統を無線化することで通信故障率が軽減されたが，2020年度は電気系統においても，安定運用を妨げる要因があることが明らかとなり，その対策を講じている．
　一方，並列化の段階で得られたデータについても解析・解釈が進んだ．2017年終わりから2018年初めにかけて桜島における噴火が昭和火口から南岳火口へと推移したが，それに合わせて観測された昭和火口底直下における直径200ｍ程度の密度上昇現象について考察を行い，それがプラグ様の物体であることが分かった．2020年度も引き続き後継を拡大することで時間分解能を上げ，時系列画像を取得していった結果，南岳火口下にプラグ形成を示唆する高密度構造物の成長が見られた．このプラグは南岳火口の活発化に伴って形成されつつあるものであることが想定されるが，今後更に時間分解能を上げた解析によって，切迫性評価にどう活用できるか引き続き火山学の各分野の研究者とさらに連携して検討していく．
　さらに2021年度には，活発化した南岳火口付近におけるミュオグラフィを活用したテフラ（火山性噴出降下物）の増減モニタを開発した．テフラが堆積することで火山表面における土壌の安定性が弱まり，重力に駆動される土石流などが誘引されやすくなる．桜島において図3.8.1 A,Bに示す５つの領域をモニターした結果が図3.8.1 Cである．南岳火口付近におけるテフラの増減が最も顕著なことがわかるが，それ以外の部分でも同様の変動が見られ，幅広い領域において南岳火口噴火に伴うテフラの影響があることが考えられる．この結果は，ミュオグラフィを用いることで比較的短時間でテフラの堆積・浸食プロセスをモニタリングできることを示しており，火山表面のモデリングや火山の警戒レベルのアセスメントへの貢献が期待される．

（b）ミュオグラフィの海への展開

　東京大学国際ミュオグラフィ連携研究機構（主管部局地震研究所）は，同大学生産技術研究所，大学院新領域創成科学研究科，および九州大学，関西大学，シェフィールド大学，英国科学技術施設会議ボルビー地下実験施設，ウィグナー物理学研究センター，日本電気株式会社と共同で，世界初となる海底ミュオグラフィセンサーアレイの一部を東京湾アクアライン海底トンネル内部の100 mにわたって設置し，東京湾における天文潮位のリアルタイム測定に成功した．

　東京湾の海水を貫通し，海底下の東京湾アクアライン海底トンネルにまで到達した素粒子ミュオンは，センサーモジュールにて検知され，TS-HKMSDDの中央に位置するデータ収集センターにて記録される（図3.8.2）．この記録されるミュオン数の時間変化を測定することにより，TS-HKMSDD上部に位置する海水の動きや海底岩盤内部の変化をイメージングすることが可能となる．

（c）ボアホール設置型ラジオグラフィー

　宇宙線ミューオンは上空からのみ飛来する．したがって，断層破砕帯や地滑り面等の地下構造を透視するためには，測定対象を見上げるように，ミューオン検出器を地下深く掘削坑（ボアホール）等に埋設することが必要となる．しかし，ボアホールのような狭隘な空間では，センサーの有効面積を大きくとることが困難であり，ミューオン・フラックスは限られた量しか得られないので，それを有効に活用する観測技術の開発が不可欠となる．

　2014年度までに，跡津川断層（岐阜県飛騨市の山中）近傍に掘削された最大深度350ｍのボアホールを利用して，深度100ｍまでのミューオン・フラックスデータを取得した．2020年度は検出器の較正と解析にとりくんだ．これまでは検出器の感度分布を完全に再現することができなかったが，原因がチャンネル間のクロストークにあることを突き止め，クロストークの効果を含めたシミュレーションとデータ解析ツールを開発し，問題を解決した．解析の結果，シミュレーションは観測データを良く再現し，得られた断層の姿勢（走向・傾斜角・深さ）は，過去の地質調査結果と良く一致した(走向：北から時計回り72.5±0.4°・傾斜角：斜面北向き85.1±0.4°・断層とボアホールとの交点：-57.5±3.3 m)．また，観測結果から予想される断層露頭の位置と，過去の地質調査で見つかっている露頭の位置も一致した．加えて，断層破砕帯とみられる低密度領域の幅は，140±40 mという結果が得られた（図3.8.3）一般の断層と比べると非常に幅が広いが，過去の電磁気探査の結果とは調和的な結果となった．
　跡津川断層の観測の結果，我々が開発したボアホール型ミューオン検出器は断層の透視を行う上で十分な性能を持ち、断層の姿勢及び破砕帯の幅の100mスケールでのリモートセンシングという，これまでの手法では不可能であった観測が可能となることが分かった．今年度は解析に加え，より小型な検出器の開発にも取り組み，電子回路の製造，シンチレータ検出器の製造を行った．今後は新たに開発した検出器を用いて、観測事例を増やし，防災研究への応用を行っていく．

Muographers 2021

2021年11月24-26日の日程で，主催：Ghent University, 共同主催：東京大学, UCL, INFN, Bern大学，INGV, Naples大学 により，Muographers 2021 を実施した．CERN, INFN, IPGP, FNAL，ケンブリッジ大学などから142名の参加があった．

UK-HKMSDDの設置

英国科学技術施設会議(STFC)Boulby地下実験施設と東京大学国際ミュオグラフィ連携研究機構が連携することにより，東京湾Hyper Kilometric Submarine Deep Detector (HKMSDD)に引き続き，同地下実験施設にUK-HKMSDDを設置した．

AGU Geophysical Monographの刊行

東京大学地震研究所/ハンガリー科学アカデミーウィグナー物理学研究センター編集AGU Geophysical Monograph「Muography: Exploring Earth’s Subsurface with Elementary Particles」を13 カ国 108 名のミュオグラフィ研究者と共に執筆，出版した．

国際共同研究に関する打合会

Hyper Kilometric Submarine Deep DetectorのフィンランドCalio地下実験研究所への実装についてのオンライン会議をオウル大学と2021年12月15日に実施した．参加機関はオウル大学，Calio地下実験研究所，ハンガリー科学アカデミーウィグナー物理学研究センター，Muon Solutions Oy，国際ミュオグラフィ連携研究機構であった．

（a）深層学習による画像認識技術を用いたミュオグラフィ画像解析

　東京大学医学部附属病院コンピュータ画像診断学／予防医学講座と共同で画像認識で威力を発揮するconvolutional neural network（CNN）を用いた深層学習の手法を用いた，火山の噴火予測への適用可能性を探索するスタディを開始した．同講座では医用画像データをもとにした画像診断AIソフトウェアおよびそのプラットフォームの開発を行っている．医学領域では医用画像を表示，解析する技術が高度に発達しており，特に近年ではディープラーニングを用いた画像解析により，AIソフトウェアが人間の目以上の画像識別能力を示すに至っている．一方，今後膨大な数の時系列的画像が生成されることが予想されるミュオグラフィ分野においても，医学分野において高度に発達してきた画像解析技術を応用し，ミュオグラフィによる火山内部構造の新たな解析技術の確立を目指す研究は意義深い．火山のミュオグラフィは素粒子の飛跡情報を火山内部の異常の有無の判断や質的な評価につなげる事を最終目的としており，医用画像の解析と共通する点が多い．

　一日一枚のリアルタイムに桜島浅部の透視画像（800画素：100 mの空間分解能）の自動処理の一環として，機械学習（CNN）による噴火判定プログラムを開発した．プログラムの性能を確認するために，2014年〜2016年に取得されたデータの中から過去7日間の連続透視画像を学習した結果を翌日の噴火の有無の判定に適用した．その際　a)7日間中断なく計測されたデータのみを使用 b) training, validation, testでデータの重複がないようにした（eruption dayが他のデータのprediction dayに含まれないように調整）  c) 噴火の有無を半々となるように調整を行った．その結果，学習データ期間外のデータに適用した場合噴火予測と実際の噴火の有無の一致を示す正答率（accuracy）は71％で，過去7日間に噴火した日数を基にした予測の正答率の57%を上回った．噴火しない日を正しく噴火しないと予測できた割合は約85%とさらに高かった．南岳火口の　AUCも67.8％と比較的高く，昭和火口と南岳火口が連動している，つまりどこかで繋がっていることが想定された．

　2021年には，Mu-NeTを高度化して，高解像度画像に適用可能な，「Mu-NeT2」を開発した．更にMu-NeT2を噴火が昭和火口から南岳火口に移った2019年以降のミュオグラフィ画像に適用した．その結果，AUC値が逆転して南岳火口が76.1%，昭和火口が70.4%となった（図3.8.4）．昭和火口のAUCも７割を超え，噴火の前には昭和火口の下でも変化が起きているとする仮定がmoderate accuracyで承認される結果となった．また，全体的にaccuracyが向上した理由として，2018年から2019年にかけてミュオグラフィ画像の画素数が800画素から2万画素へと大きく向上したことが考えられる．

（b）多方向ミュオグラフィによる伊豆大室山スコリア丘の３次元密度イメージング

　ミュオグラフィ研究における重要な課題の一つは，観測方向を増やすことで火山の詳細な3次元密度構造を明らかにすることである．今回火山周辺のような商用電源の確保が難しい場所への設置に適している原子核乾板検出器を用い，静岡県の伊豆大室山スコリア丘を10方向から調査した．

　各観測点で得られた二次元角度空間における密度長データを，Nishiyama et al., (2014) などで用いられてきた三次元密度再構成手法を用いて解析を行い，結果図3.8.5のような三次元密度画像を得た．
　この多方向ミュオグラフィの結果をもとに，これまで行われてきた地質学的調査の結果と合わせ，大室山スコリア丘の形成過程について考察した．大室山の中央部（山頂火口の直下）に高密度領域が存在し，西と南南東，北北東にも高密度領域が見られる．中央部は溶結の進んだ主火道である．西に延びる高密度構造は山体西側の溶岩流の跡と一致するため，ダイクが貫入したものであると解釈できる．南南東，北北東の高密度領域も同様にダイクの貫入であるとするならば，溶岩湖の形成とマグマ供給の増圧によって主火道の壁が割れ，放射状3方向にダイクが伸びた力学的な結果と考えられる．同様の3方向のダイクやダイク群は，シップロック（Townsend et al.2015），ハワイの火山（Wyss, 1980），カナリア諸島（Carracedo and Troll, 2013）など，世界の他の火山でも確認されている．

　大学院生の長原翔伍がこの研究テーマを博士論文として提出した．審査の結果，学位を取得することが出来た(現在神戸大学で研究員として勤務)．

（c）宇宙線電磁成分の減衰を用いた土壌水分量の測定

　マグマの移動に伴う質量移動を検出する方法として，ミュオグラフィの他には，地表面での重力の時間変動を追う方法がある．重力計によって得られた重力値の時系列データを眺めていくと，降雨に追随した明瞭な変動が見られることがある（振幅にして約10マイクロgal）．これは，雨水の質量による万有引力の効果を重力計が受けるために生じる．このような雨水擾乱の効果を正しく補正しなければ，マグマの質量移動を正しく議論できない．そうした雨水の効果を，別の物理探査手法から定量的に把握するための方法として，宇宙線に含まれる電磁成分（電子・陽電子・ガンマ線の総称）を用いたラジオグラフィ手法の開発に取り組んできた．

　宇宙線に含まれる電磁成分は，ミュオンと比べると物質の貫通能は乏しいものの，その分，雨水による僅かな質量変動に応じて大きく減衰されることが期待されるため，土壌水分量の測定が可能で，連続重力測定データなどに見られる雨水擾乱の補正に効果的である．このアイデアの実証のため，国土交通省大隅河川国道事務所・有村観測坑道（桜島）の中に，特別な検出器を設置し測定を行ってきた（図3.8.6a）.
　今年度は，2014～2019年にかけて断続的に測定されたデータの解析に取り組んだ．これらの時系列データ（図3.8.6b）を見ると，電磁成分の強度と大気圧に負の相関が見られることが分かった．これは，宇宙線が大気中で吸収される効果を反映している．大気圧の変動によるこれらの変動を補正したところ，雨量と電磁成分強度の間に負の相関が見つかった（図3.8.6c）. 　こうした降雨に伴う電磁成分強度の減少は，坑道上の土壌に浸透した降水によって電磁成分が吸収された結果だと解釈できる．現在，プールを用いた較正試験とモンテカルロ・シミュレーションを併用して，この解釈の正当性を検証している．
　ただし，図3.8.6cで見られた電磁成分強度の減少は非常に小さい．これまで観測を行ってきた有村観測坑道は軽石層に覆われており，雨水がすぐに地下へ流れてしまったからであると推測される．そこで，土被りの分厚い他の地点に移設して，追加試験を行うことを検討している．

（d）ニュートリノ振動を用いた，地球深部の化学組成・密度構造測定

　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，本学梶田教授２０１５年ノーベル賞）．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，及び媒質中の電子数密度で一意に決まる．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(原子番号と原子量との比)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，地球液体核やマントル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年度より建設が開始され，現在，様々な建設作業が行われている．

　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．特に，地震研究所では，光電子増倍管に用いられるガラスの高品位化に取り組んできた．光電子増倍管は既に2020年度から量産が開始されているが，最初のロットでは，ガラスの高品位化の結果，感度が5%向上していることが分かっている．今後，ガラスの高品位化が光電子増倍管の雑音レベルの低減にどの程度影響したのか，評価を行っていく．今年度はガラスの高品位化に加えて，鉱山活動のハイパーカミオカンデへの評価も行った．特に，鉱山での発破に伴う振動加速度レベルの測定を行った．ハイパーカミオカンデは稼働中の鉱山の近傍に建設されるため，また，我が国の歴史の中でも最大級の大規模実験であるため，鉱山活動に伴う詳細なリスク評価を事前に行っておく必要がある．半年間の評価の結果，鉱山活動に伴う振動は，スーパーカミオカンデ建設地で記録されたものと同程度であり（図3.8.7），ハイパーカミオカンデの建設・稼働には大きな影響がないと予想される．2021年度も継続して測定を行い，より正確なリスク評価につなげたいと考えている．また，急激な気圧の変化(空振)等，より多面的なリスク評価も行う予定である．

本センターの設置目的は，宇宙線ミューオンやニュートリノ等の高エネルギー素粒子を用いて，これまでにない高い分解能（10-100m程度）で断層や火山などの固体地球内部を透視し，地震・火山現象の解明と防災・減災に貢献することである．そのためには素粒子透視技術（ラジオグラフィー）の一層の高度化が必要となる．とくに素粒子検出デバイス開発に対しては，小型・軽量・低消費電力という野外観測からの要求に応えつつ，一方で空間的にも時間的にも高い解像度を確保することが，世界の中でのリーディング・エッジを今後も確保することが欠かせない．また，一方でこれまでは火山に限定されてきた応用分野を，地震断層等にも広げていくことが望まれてきた．これらのことを念頭に，当センターで進めてきた研究活動を以下に述べる．

• 3.8.1 素粒子検出デバイスの開発研究
• 3.8.2 ラジオグラフィー解析による研究
• 3.8.3 国際活動