火山 第 48 巻 (2003)
第 4 号 345ῌ366 頁

論 説

宇宙線ミュオンによる火山体内部探索
田 中 宏 幸῍῎永 嶺 謙 忠῍῍ῒ2003 年 2 月 6 日受付ῌ 2003 年 6 月 24 日受理ΐProbing Internal Structure of a Volcano with Cosmic Ray Muons
Hiroyuki T6C6@6῍ and Kanetada N6<6B>C:῍῍
It is well known that cosmic-ray muons are illuminating every substance on the earth. Muons arriving
vertically from the sky have an intensity of one muon every square centimeter every minute with a mean energyof a few GeV. It is also well known that muons with a smaller average intensity, but with a higher intensity atenergies higher than a few hundred GeV, are arriving horizontally along the earth. For the purpose of probing theinternal structure of a volcano, these horizontally arriving muons can more easily be used, provided that the muon
ﬂux is reasonably high and that the size of the detection system is realistic. An improved cosmic-ray muon
detection system comprising two detectors which are vertically segmented into 10 channels and horizontallysegmented into 10 channels, with multiplicity cut of the soft-component background of cosmic ray was developed.
The multiplicity cut method eliminates soft components by using cascade shower generation through anintermediate iron absorber. By applying to the measurement in internal structure of the volcano Mt. Asama, weclearly detected the hidden crater in the vicinity of the top. There, we proved that the volume occupancy in theregion of a crater is less than 30% by comparing to the detailed Monte Carlo simulation. The future prospects ofthe present method is also discussed.

1. は じ め に

リアルタイム計測を行うことによる火山ダイナミクスの

日本列島に多数ῌ 散在する火山の噴火活動の科学的解解明にも実用化される可能性がある῍明に対してῌ これまでにῌ 地震波トモグラフィῐῌ 地磁

過去にῌ 高エネルギῐ宇宙線ミュオンを用いて巨大構

気変動ῌ 地殻電気伝導度測定などによってῌ 噴火活動に造物の内部探索を行った例としてῌ L. W. Alvarez ῒカリ

応じたῌ 火山体内部状態の変化が確認されてきた῍ もしῌ

フォルニア大学バῐクレῐ校ΐ らのグルῐプがピラミッ

これまでに試みられたことのない新しい方法で火山体内

ド内部に隠されている玄室の存在を探るためにῌ 天頂方部の状態を直接捉えることができればῌ 火山噴火活動に

向から飛来する宇宙線ミュオンを用いた研究 (Alvarez et

対するより深い理解に貢献できると同時にῌ 災害予防なal., 1970) が挙げられる῍ われわれが用いた方法は Al-

ど社会的意義も大きい῍ 本論文でῌ 論じられる宇宙線

varez らの方法に比べて (a) 水平方向のῑTeV の宇宙線をミュオンを用いる方法はこれまでに試みられた例がな

利用しているῌ (b) 経時変化を捉えようとしているῌ (c)くῌ 火山体内部のスタティックな構造探査のみならずῌ

進歩した検出器を使っているῌ などの点で新しい῍ この

῍ ῔351ῌ0198 和光市広沢 2ῌ1
理化学研究所ミュオン科学研究室
Muon Science Laboratory, RIKEN (The Institute ofPhysical and Chemical Research), Hirosawa 2ῌ1,
Wako, Saitama 351ῌ0198, Japan.
現住所῏ ῔464ῌ8602 名古屋市千種区不老町
名古屋大学環境学研究科地球環境科学専攻
Present Address: Graduate School of Environmental
Studies, Division of Earth and Environmental Sciences, Nagoya University, Furo-cho, Chikusa,
Nagoya, Aichi 464ῌ8602, Japan.

῍῍ ῔305ῌ0801 つくば市大穂 1ῌ1
高エネルギῐ加速器研究機構物質構造科学研究
所中間子科学研究施設
Meson Science Laboratory, Institute of Meterial
Structure Science, High Energy Accelerator Research Organization, Oho 1ῌ1, Tsukuba, Ibaraki
305ῌ0801, Japan.
Corresponding author: Hiroyuki Tanaka
e-mail: ht@riken.go.jp

田中宏幸῎永嶺謙忠

346

研究は 1992 年に提案されῌ 関連する論文がいくつか発表されている ῒNagamine et al., 1995῏ 永嶺ῌ 1995ΐ῍ その後現在まで改良を重ねῌ 2000 年に実用機に近い形にアップグレῑドされた῍ 以下ではῌ 宇宙線ミュオンによる火山体内部探索の原理と浅間山におけるテスト実験の結果を述べῌ 今後の拡張と火山噴火メカニズムの解明への貢献の可能性について述べる῍ この論文は手法の原理から結果に到る総合的な学術的記述がなされたはじめてのものであるとともにῌ すでに発表されている論文 (Tanaka
et al., 2001) と比べても浅間山における観測の数ῐの新しい解析結果を含むものである῍ またῌ この実験における装置に関する詳細な技術的報告は本論文とは別に行われている (Tanaka et al., 2003)῍
2. なぜミュオンで火山内部探索ができるのかῌ

火山体内部探索で必要となる条件は
1. 山体を通りぬける程度にエネルギῑ損失が少ないことῌ
2. 山体の密度の空間分布 ῒ密度構造ΐ が検出できるほど適度にエネルギῑを失うことῌ
3. 検出が容易でῌ 100 % に近い検出効率が達成できることῌ
4. 大気上部で多数生成されῌ 地表に十分な数が到達することῌである῍ これらの条件をすべて満たす粒子が宇宙線ミュオンである῍ ミュオンは不安定な素粒子の一種であってῌ 正と負の電荷をもつ m῔ と m῕ がある῍ それらの質量はῌ 陽子の 1/9 あるいは電子の 270 倍でありῌ 物質との相互作用は主として電磁相互作用のみであるので他の粒子に比べて透過性が良い῍ また荷電粒子であるというミュオンの性質より検出が容易である῍
Fig. 1 に は Geant モ ン テ カ ル ロ コ ῑ ド (GEANT 3
manual, 1994) を用いて得られた様ῐな物質中 ῒ鉄ῌ グラ

Fig. 1. Range of charged particles in iron (Fe),graphite (C; graphite), and water (H2O). m, e,
and p in this ﬁgure indicate muons, electrons,
and protons, respectively.
図 1 鉄 (Fe)ῌ 炭素 ῒC; グラファイトΐῌ 水 (H2O)
中での荷電粒子の飛程῍ 図中における記号はそ
れぞれῌ m がミュオンῌ e が電子ῌ p が陽子を表す῍ファイトῌ 水ΐ における荷電粒子の飛程が示されている῍

オンは山体中で山体内部の密度の空間分布 ῒ密度構造ΐ

質量の小さい電子ではῌ 高エネルギῑにおけるエネルが検出できるほど適度にエネルギῑを失うことがわか

ギῑロスが高い῍ 加えてῌ 入射電子と電磁カスケῑド過る῍ 山体中におけるミュオンのエネルギῑロスに関する

程により多重化した電子の区別が不可能である῍ 一方

詳細は後の節で述べられる῍でῌ 陽子の電離によるエネルギῑロスはミュオンのそれ

一次宇宙線が大気原子核と相互作用してできる粒子はよりも低い῍ しかしῌ 数 GeV を超える高エネルギῑ領域

一般的にハドロン成分 ῒ陽子ῌ 反陽子ῌ 中性子ῌ 中間子

では非弾性散乱や輻射によるエネルギῑロスの占める割などΐῌ ミュオン成分ῌ そして電磁成分 ῒ電子ῌ 陽電子ῌ合が大きくなりῌ 一回の散乱で 90 % のエネルギῑを失光子ΐ の三つのグルῑプに分けられる῍ 一次宇宙線は大う῍ さらにῌ 粒子の多重発生 ῒハドロニックシャワῑΐ に気中で相互作用をするたびに粒子数を増やしてῌ 同時によりῌ 入射陽子は別の粒子に変換される῍ 数 100 m オῑエネルギῑを落としていく῍ Fig. 2 には鉛直方向からのダῑの火山体を適度な減衰率で透過できるのは Fig. 1

それぞれの宇宙線荷電粒子強度の高度分布が示されていからミュオンだけであるのでῌ 火山体内部探索にはミュる (Kodaira et al., 1999)῍ Fig. 2 より地表ではミュオン

オンを使用するのが適切である῍ またῌ Fig. 1 よりῌ ミュが最も多く観測される荷電粒子であることがわかる῍ こ

宇宙線ミュオンによる火山体内部探索347

れはῌ ほとんどのミュオンや電子は大気上空でつくられる ῐ約 15 kmῑ こととῌ 電子は地表に到達するまでに多くのエネルギ῎を落とすのに対してミュオンは῏2 GeV
程度しかエネルギ῎を失わないことに起因する῍
3. これまでの経緯

この研究が 1992 年に提案された当時ῌ アナログシス
テムが採用された (Nagamine et al., 1995)῍ そこではῌ 検
出器系として 1.27 m 四方で厚さ 3 cm のプラスチックシ
ンチレ῎タ῎ 3 枚によるホドスコ῎プ検出器が組まれた῍ 宇宙線ミュオンがプラスチックシンチレ῎タ῎を通過する点は四隅に置かれた光電子増倍管にシンチレ῎ション光が到達する時間差から決定された ῐ伝播時間
5.3 ns/mῑ῍ これに対して今回は以下の理由によりセグメント方式の検出器系を組むことにした :1. 検出器における宇宙線ミュオン入射角の定義を明確にすることῌ
2. それぞれの光電子増倍管をリアルタイムにモニタ
Fig. 2. The altitude dependent of the intensity ofcosmic-ray charged particles (Kodaira et al.,1999). There, we can perform ground-baseobservation at an altitude of “the observation
altitude”.
図 2 宇宙線荷電粒子の強度の高度分布 (Kodaira
et al., 1999)῍ ここでῌ ῒobservation altitudeΐ とは地表で観測可能な高度を表す῍

リングすることによりῌ 運転中ῌ 検出器に問題が発生した場合ῌ どの部位が原因となっているのかをそれぞれ独立に解明できること῍ またῌ このシ
ステムの実現により光電子増倍管のゲインドリフ
トによるῌ カウンタ῎内での位置決定精度の変動が軽減されῌ 長期間運転が実現できるようになること῍

Fig. 3. Air shower initiated by primary cosmic-rays of a 100-GeV gamma ray and a 300-GeV proton. “Showeraxis” and “lateral extent from the shower axis” are indicated in this ﬁgure.
図 3 一次宇宙線が大気原子核と反応して作るシャワ῎の様子῍ 入射粒子は 100 GeVg 線および 300 GeV 陽子である῍ 図中に ῒシャワ῎軸ΐῌ ῒシャワ῎の広がりΐ が示されている῍田中宏幸永嶺謙忠

348

4. 宇宙線ミュオンによる火山体内部探索の原理

この節ではまず 2 次宇宙線としての宇宙線ミュオンの天頂角依存性について記述する 次に山体中における ミュオンのエネルギῒレンジ関係式が述べられ最後にこの二つの関係を用いて様な天頂角に対して山体を通過する宇宙線ミュオンの強度分布について議論する
4ῌ1

1 次宇宙線スペクトル

一次宇宙線は 98% が原子核 そのうち 87% が陽子
12% が a 粒子 そして残りの 1% が重原子核 2% が電子で構成され 観測されている一次宇宙線のエネル
ギレンジは 15 桁にものぼる 一次宇宙線の微分スペ
クトルは E1 GeV/nucleon のエネルギ領域では 以
下の累乗法則であらわされるN (E) dEAE gdE(1)

エネルギ E は 1 核子あたりの運動エネルギ 指数
g は 2.7 である

一次陽子が大気に入射すると 大気中で陽子ῒ原子核
反応が起こる この多重散乱で主に p 中間子が生成されるが K 中間子や反核子もつくられる 一次宇宙線が大気
原子核と反応して作るシャワが水平方向に広がる様子
は Fig. 3 に示されている
4ῌ2 宇宙線ミュオン強度の天頂角依存性

一次宇宙線が大気原子核と反応して生成された荷電 p
中間子は 2.55 10 8 秒で崩壊してFig. 4. Zenith-angle dependence of cosmic-ray
muon di#erential energy spectrum.
図 4 宇宙線ミュオンのエネルギ微分スペクトルの天頂角依存性

宙線ミュオンを巨大な構造物の探索に容易に用いること

p

m nm

(2)

p

m n̄ m(3)ができる
大気の厚さを考慮した宇宙線ミュオン強度は Thomp-

宇宙線ミュオンを生成する ここで p は p 中間子 m はson と Whalley (Matsuno et al., 1984) によってまとめら

ミュオン nm はミュオンニュトリノをそれぞれ表す

れている 地表における天頂角 qΐ 方向から飛来する

一方で 中性 p 中間子は 1.7 10

ミュオンスペクトル N mは

p0

16

秒間で崩壊して

2g(4)生成され 光子 (g) は電磁シャワカスケドの元となる 同様な過程が K 中間子に対しても起こる ミュオンの元となる荷電中間子のエネルギが臨界エネルギ B
を超えると 事実上すべてのミュオンが大気中で崩壊せNm (Em, qΐ) dEmAWm (Em DEm) gῌ
rpg 1 Bp sec qΐ῎
῍Em DEm Bp sec qΐ
0.36brEp῏
rgK 1 BK sec qΐῑdEm,
DEm BK sec qΐῐ(7)

ずに地表に到達することができる ここで 臨界エネル

鉛直方向の空気の厚さが L 0 1.013 kg/cm2 であるの

ギに達さない中間子から生成されたミュオンについてで ミュオンはこれを通過する間に DEair 0.0026 TeV

は t2.2 10 6 s でのエネルギを失う 天頂角 qΐで飛来するミュオンはme n̄en m ,(5)

DEmDEairあるいはme nen̄ m ,(6)と大気中で崩壊して 地表に到達しない ここで ne は電子ニュトリノを表す 以上で述べた過程により生成された宇宙線ミュオンは最終的に地表では1/(cm2min) の強度をもち その主要なエネルギ帯は

DEm のエネルギを失う ここで
Lpath /L0

(8)

Lpath /L0
[(R2cos2qΐ

2 Rrr2)1/2 Rcos qΐ)] /r(9)である ただし R は地球の半径 r は大気の鉛直方向の厚さである

GeV

飛行中のミュオン崩壊による強度減少も考慮に入れる

TeV である われわれはこのような高エネルギ宇

必要がある ミュオンが崩壊せずに地表まで残る確率

宇宙線ミュオンによる火山体内部探索349

Fig. 5. Integrated ﬂux of cosmic-ray muons at
various zenith angles through a given thicknessof rock with a density of 2.5 g/cm3. These
results were deduced by Eqs. (7) and (12).
図 5 式 (7) および (12) より求められたῌ さまざ
まな厚さの岩石 ῐ密度 2.5 g /cm3ῑ 通過後の宇宙線ミュオンの積分フラックスの天頂角依存性῍
Wm はWm῕exp (ΐL0/ L decay)(10)で与えられる῍ ここで Ldecay は
Ldecay῕cbgt ῕ 3ῌ108 (m/s)ῌ1.0ῌE (GeV)/mmῌ
2.2ῌ10ΐ6(s) ῕ 6.2ῌE (GeV) (km)(11)

で与えられるエネルギ῏ E のミュオンの平均崩壊長である῍p 中間子の運動量のミュオンの運動量への寄与 r p は
0.78ῌ K 中間子の運動量のミュオンの運動量への寄与 rK

は 0.52 である῍ p 中間子ῌ K 中間子に対する臨界エネル

Fig. 6. Lateral distribution of charged particles inan air shower initiated by a primary cosmic rayof (a) a proton nucleus and (b) an iron nucleus
in vertical. Incident energy is 3῔1015 eV.
図 6 鉛直方向から入射した一次宇宙線 (a) 陽子および (b) 鉄原子核により生成される空気シャワ῏中の荷電粒子の水平分布ῌ 入射エネルギ῏は 3῔1015 eV῍

ギ῏はそれぞれ Bp῕90 GeV; BK῕442 GeV である῍ br῕

そして光核相互作用によるエネルギ῏損失῍に分けられ0.635 は K m2 崩壊モ῏ドの分岐比である῍ このようにしる῍ 物質の無限小部分 dx を通ることによる平均的なエて Fig. 4 に示すようにῌ 天頂角 q῎ の関数として宇宙線

ネルギ῏ロスは以下のように表される῎ミュオンのエネルギ῏スペクトルが得られる῍ Fig. 4 中

ΐdE/dx῕k (E)ῒbb (E) Eῒbp (E) Eῒbn E.

にプロットされている実験値は DEIS のデ῏タ (Alkofer

ここでῌ k(E), bb (E)ῌ および bp (E) はミュオンのエネ(12)

et al., 1985) およびῌ Kellogg らのデ῏タ (Kellogg et al.,ルギ῏ E に対してゆっくりとした変化である῍ bb (E)ῌ bp1978) から得られた῍ Fig. 4 よりわかるようにῌ 水平近く(E) および bn はそれぞれ制動輻射ῌ 対生成ῌ そして光核から飛来するミュオンは平均的な強度は小さいがῌ 数

相互作用に対するエネルギ῏ロスを表す῍ 電離損失を表

100 GeV 以上の成分の相対比が大きいのでῌ 火山体内部

す k (E) は連続的な過程である῍ 標準岩石に対するῌ 高を探索するという目的にはῌ これらの水平近い方向からエネルギ῏領域での k(E) は評価されている (Adair and

飛来する高エネルギ῏ミュオンが容易につかえうる῍
4ῌ3 岩石中でのミュオン飛程

物質中の高エネルギ῏ミュオンのエネルギ῏損失過程
は四つの独立なプロセス῍電離損失ῌ 制動輻射ῌ 対生成ῌKasha, 1976)῍ k (E) を評価するためによく用いられる式に現れる項 ln (E/Mm) を G とおくと῎k (E)῕1.888ῒ0.0768G MeV gΐ1 cm2for standard rock(13)

田中宏幸 永嶺謙忠

350Fig. 7. A Monte Carlo simulation of an electron induced cascade in iron with a thickness of one (triangle), two(square), and three (circle) radiation lengths. The incident energies are (a) 0.1 GeV, (b) 0.5 GeV, and (c)2.0 GeV.
図 7 電磁カスケドによるマルチプリシティのモンテカルロ計算による評価 それぞれ (a) 入射エネル
ギ 0.1-GeV (b) 0.5 GeV (c) 2.0 GeV 図中において三角 四角 丸がそれぞれ鉄板の厚さが 1
2 3 放射長の場合の多重度を示している

一方 断続的な過程である制動輻射 対生成 そして
光核相互作用による平均的なエネルギロスは標準岩石Z11, A22 に対して それぞれである高エネルギ E2 TeV では 制動輻射 対生成 そして光核相互作用にたいする dE / dx は近似的に 3.9 E

bb (E)1.96 [G0.257]107 g1 cm2E2.5 TeV,

MeVg1cm2 に比例する (Adair and Kasha, 1976) よっ

1.92106 g1 cm2E2.5 TeV,て最終的に得られるエネルギロス関係式 (13) から式(14)bp(E)2.40 [1exp(G2/40)]106 g1 cm2for standard rock,6 1

bn0.4310

g

(15)
2

cm

(16) は変化の少ない G を定数によって置きかえることによって以下のように近似できる(16)

dE/dx[2.05

3.9E]106 (TeVg1cm2)(17)

ここで最初の項は電離損失による連続的なエネルギロ宇宙線ミュオンによる火山体内部探索351

Fig. 8. A result of Monte Carlo simulation of a high energy electron induced cascade in iron with a thickness of
one, two, and three radiation lengths. Spatial extent of cascade showers initiated by 0.1 GeV, 0.5 GeV, 1.0
GeV, and 2.0 GeV electrons is indicated in this ﬁgure.
図 8 高エネルギ῎電子のさまざまな厚さの鉄板中での電磁カスケ῎ドの計算結果῍ ῏入射粒子のエネルギ῎ῐῑ
0.1 GeV, 0.5 GeV, 1.0 GeV, および 2.0 GeVῌ それぞれに対する電子/ 陽電子シャワ῎の空間的広がりが示されている῍スῌ 2 項目は断続的な過程によるエネルギ῎ロスを意味

4ῌ4 厚さ X の岩石を透過する宇宙線ミュオンの強度している῍ よってῌ 式 (7) および (12) から山体の厚さ x

山体中の宇宙線ミュオンの飛程と宇宙線ミュオンエネ

とミュオン強度ῌ Nm (Ec, qῌ) の間に唯一の関係が決定さ

ルギ῎スペクトルの天頂角依存性をあわせることによっれる῍てῌ X と Nm (Ec, qῌ) の関係が決定される῍ X が与えられ

田中宏幸῎永嶺謙忠

352

Fig. 9. A segmented detection system comprised of an array of scintillation counters. Angular resolution of ῑ66
mrad is achieved by placing 1.5 m distance between two segmented detectors.
図 9 シンチレ῏ションカウンタ῏の平面アレイを組み合わせることによって構成されるῌ セグメント方式検出器系῍ 二つのセグメント検出器を 1.5m 空間的に離して設置することによりῑ66 mrad の角度分解能を達成している῍

ると厚さ X の山体を透過することができる宇宙線の最4ῌ5 ソフトコンポῌネントバックグランド対策

小エネルギ῏ Ec が式 (12) より決定される῍ よってῌ 積

前節で述べたように中性 p 中間子は短い時間で崩壊
して光子を放出する῍ 光子はさらに新しい粒子ῌ 電子/陽分フラックス῎ N (E , q῍) dE
῔
Ec

m

c

(18)

電子対をつくる῍ 電子/ 陽電子対は輻射によりさらに多くの光子を放出する῍ このように大気層中で数を増やしが決定される῍ 逆にῌ 天頂角 q῍から飛来する山体を透過た電磁シャワ῏は一般的に宇宙線ソフトコンポ῏ネント

したミュオン強度 Nm (q῍) を計測すれば未知の物質に対と呼ばれる῍ 宇宙線ソフトコンポ῏ネントのエネルギ῏する密度長 g/cm が決定される῍ 式 (7) および (12) よは 0.1ῐ2.0 GeV 程度のエネルギ῏領域を中心に累乗法り求められた関係 XῌN m は Fig. 5 に要約されている῍則に従って分布している (Golden et al., 1995)῍ Fig. 6 にFig. 5 からわかるようにῌ 低密度ないしは高密度によるは 3ῒ1015 eV の陽子およびῌ 鉄原子核が鉛直方向 (qzΐ2

密度長の小さな変化は N m (q῍) に変化をもたらす῍ 逆0) から大気中に入射することにより発生する空気シャにῌ Nm (q῍) の変化は密度長の変化をわれわれに教えてワ῏中の荷電粒子の平均的な水平分布が示されている

くれる῍(Heck et al., 1998)῍ 1 次宇宙線のエネルギ῏が高くなるとῌ 2 次宇宙線粒子中のソフトコンポ῏ネントの占める

宇宙線ミュオンによる火山体内部探索353

割合も高い 高エネルギミュオンの崩壊プロセスや物
質中 大気中や岩石中 でのノックオン過程により生成される電磁コンポネントも含めて これらのソフトコ
ンポネントは宇宙線ミュオン観測のバックグランドノイズとなる
このようなソフトコンポネントバックグランドを取り除くために われわれは鉄板中での電磁カスケドシャワを利用した 高エネルギの電子 陽電子 や
光子は物質中を通るとき 多重散乱し 電子 陽電子 の総数および空間的広がり両方が増加 多重化 する 多
重化したソフトコンポネントはすべて一つの粒子に起因しているので同一平面内で複数の離れた場所を同時にFig. 10. Block diagram of elecronics.
図 10 デタテキングのブロックダイアグラム

通過する 多重イベント ここでは ソフトコンポネ
ントバックグランドを多重イベントとして取り除く手法

宇宙線ミュオン強度分布との比を取り それで規格化すを開発した 検出器の前方に適切な厚さの鉄板を設置る この結果 宇宙線ミュオンの絶対強度 立体角 検

し そこで生成された多重イベントは検出器の異なる点

出器効率などへの依存性が消去される 比は宇宙線ミュを同時に通過する 本実験では検出器平面内のこのようオンの強度のエネルギスペクトルから 宇宙線ミュオ

な異なる点のヒットに対して 20 ns 以内に同時にヒッンの経路での山体の密度長の単調減少関数として一義的トしたものについては多重イベントとして取り除かれに関係付けられる

た

この方法は いわば宇宙線ミュオンによるレントゲン

ソフトコンポネントの電磁カスケドによる多重度

透過写真というべきものである レントゲン写真が観測を評価するためにヨロッパ合同素粒子原子核研究機構

したいものの直後にフィルムを置き 平行光線によって(CERN) により開発された Geant 粒子輸送計算コド

感光されるのに対して この方法では 光に対応する宇(GEANT3 manual, 1994) を用いてモンテカルロ計算を

宙線ミュオン経路を測定できる検出器を用意することに行った 結果は Fig. 7 にプロットされている 鉄板の厚よって 検出器を山体の遥か遠方に置き 広い角度からさが 1 放射長 (1.7 cm) だと 吸収体としての役割をほとの 光 をとらえる点が違っている また 固定した観

んど果たさない 鉄の厚さが 3 放射長 (5.1 cm) では

測点から 一定の時間間隔の測定で密度長分布のデタ

100 MeV 程度のエネルギをもつ電子はほとんどが吸が十分な統計で得られれば 内部密度の時間的変動が観収される 一方で 高エネルギ (2 GeV) 電子では多重測できるはずである

度が高い これより 鉄板が厚くなるにつれて 多重度
を増やしていく様子がわかる Fig. 8 には高エネルギ

5. 実験セットアップ

電子のさまざまな厚さの鉄板中での電磁カスケドの計

5ῌ1 一般算結果として 電子/ 陽電子シャワの空間的広がりが測定系として Fig. 9 に示されているような 10 cm

示されている ここでは 鉄板を厚くするにつれてシャcm のピクセル構造をもったセグメント検出器 2 枚によワの空間的広がりが大きくなっていく様子がわかる

るホドスコプ検出器システムを組むことにした セグ

4ῌ6 密度長の 2 次元マップの作成

10

メント検出器システムをつくるためには 先ず 1 m 10

宇宙線ミュオンの観測において 天頂角および 水平cm 厚さ 3 cm のプラスチックシンチレタ バイクロ角の関数としてさまざまなミュオン経路 X (qῌ, f) が記ン BC-408 と 2.5 インチ光電子増倍管 浜松ホトニク

録される ほとんどの場合 検出器の大きさは対称物にス H7195 がアクリルライトガイドで接続されたカウ対して十分小さいので Fig. 9 に見られるように宇宙線

ンタ 10 枚をそれぞれ x 方向 y 方向に配列して x 平

ミュオンの経路は仰角 コンパスの方向 および水平角面 y 平面を構成する 次に x 平面および y 平面を組み(q, f)(q90qῌ) によってのみから決定されると近似合わせることによって 10 cm

10 cm のピクセル構造できる よって (q, f) を変数とした宇宙線ミュオンイベ

をもったセグメント検出器をつくる 宇宙線ミュオンがント (Nm) のヒストグラムが山体観測には十分であるセグメント検出器を通過する点は 荷電粒子がそれぞれ各点の密度長を得るために次のような方法が有効であのカウンタを通過したときに出すシンチレション光る 山側 と反対側障害物なしにやってくる 空側 のを捕らえた光電子増倍管の組み合わせで決定される こ354

田中宏幸῎永嶺謙忠

Fig. 11. Typical TDC time spectra as obtained with each layer of the detection system.
図 11 それぞれのレイヤ῏から得られた典型的な TDC のタイムスペクトル῍

れらの二つのセグメント検出器を 1.5 m 空間的に離してに対しては一つのみがシグナルを出した場合としてい設置することによりセグメント検出器系が完成した῍ こる῍ 多重イベント解析手法を実現させるためῌ 6 放射長

れによりΐ66-mrad の角度分解能ῌ および広い空間的視(10 cm) の厚さをもつ鉄シ῏ルドがそれぞれの検出器平野 ῐ仰角に対しては 0῕q῕540 mrad (q῔90ῒqῌ)ῌ 水平

面間に設置された῍ この厚さの鉄板によりῌ 100 MeV 以

角に対しては 0῕¦ f¦ ῕540 mradῑ が達成されῌ 高い統計下の電子は直接吸収される῍ またῌ それ以上のエネル

精度が期待された῍ この角度分解能はῌ 3000 m 遠方からギ῏をもつ電子は多重イベントをつくり上述の方法によΐ200-m の空間分解能で観測が行えることを意味する῍

り除去される῍ それぞれの光電子増倍管にかける高電圧

1-m2 のセグメント検出器のトリガ῏条件はソフトコ

はῌ ディスクリミネῒションレベル ῐ弁別レベルῑ を一

ンポ῏ネントに対しては同じ検出器平面内の 10 個のカ定にしてそれぞれのカウンタ῏における全立体角から飛ウンタ῏のうちῌ 少なくとも二つ以上が同時にシグナル

来する宇宙線ミュオンのシングルカウンティングレ῏ト

を出した場合 ῐ多重イベント解析手法ῑῌ またῌ ミュオンの違いがΐ10% 以内になるように調整した῍

宇宙線ミュオンによる火山体内部探索355

Fig. 12. Trigger for multiplicity event was designed by placing an iron plate with thickness of 10 cm (6 X0)
between two detectors in order to eliminate soft component background using by electromagnetic cascade
generation. d rays initiated by muons are not energetic enough to be ejected from the iron plate.

図 12 ソフトコンポ῎ネントを取り除くようにデザインされた多重イベント用のトリガ῎は検出器の間に設置された 10 cm(6 X 0) の厚さの鉄板によって引き起こされるカスケ῎ドジェネレ῎ションを利用している῍
ミュオンによって鉄中で作られる d 線は外に出るだけの十分なエネルギ῎を持たない῍
この実験に用いられたデ῎タテ῎キング ῏デ῎タ収集ῐ システムのブロックダイアグラムが Fig. 10 に示されている῍ またῌ Fig. 11 にこのシステムで得られた典型

and Iwasaki, 1997) を用いてコンピュ῎タ内に蓄積される῍
それぞれが 1 m2 の大きな検出エリアをもつ 2 台の宇的な TDC のタイムスペクトルを示す῍ この TDC (Time宙線ミュオン検出器系の運転が 2001 年 2 月より開始さ

to Digital Converter; Kaizu, KC3781A 12bit/25ps) は 40

れた῍ 全く同じ検出器系を 2 台用意することによりῌ そ個の光電子増倍管のタイミングを決定する῍ TDC に対れぞれの検出器で得られたデ῎タを単純に加えることがするスタ῎トシグナルは No. 1, No. 2 検出器の x, y 平面

できῌ 統計量を増やすことができる῍ 2 台の検出器シスからの信号がある時間ゲ῎トでコインシデンス ῏同時発

テムは世界標準となっている海上輸送用の 6 m コンテ

生ῐ したときに与えられる῍ ゲ῎トの幅 20 ns はミュオナに格納されῌ 必要に応じてどこへでも移動できるようンが検出器平面間を飛ぶのにかかる時間 (5 ns) に比べてに機動性を確保している῍ Fig. 12, Fig. 13 にはそれぞれ十分広くῌ 宇宙線ミュオンのシングルカウンティング

今回の実験に用いたセットアップの 2 次元および 3 次元

レ῎ト (ΐ100 Hz) に比べて十分狭い῍ ダ῎クカレント

概念図が示されている῍ プラスチックシンチレ῎タ῎をなどの光電子増倍管起因のランダムノイズによるアクシ

遮光しているテ῎プが長い観測期間の間に破損消耗する

デンタルコインシデンス ῏偶発的同時計数ῐ はそれぞれことを防ぐ目的で 40 本それぞれのカウンタ῎はアルミの検出器平面でのコインシデンス ῏同時計数ῐ シグナルニウムケ῎スによって保護されている῍ それぞれのアルを要求することによりほぼ 100 % 取り除かれる῍ このよミニウムケ῎スには光電子増倍管が発する熱を外部へ逃うにしてえられたほぼ 100 % 宇宙線ミュオンイベント

がすために温度調節用の孔が付いている῍ 長期間安定しと期待される TDC のタイムスペクトルデ῎タは PC-

た運転を行えるよう室温は温度調節器によって季節によ

LINUX ベ῎スの DAQ システム ῑEXP95ῒ (Nakamura

らず約 25῔に保たれている῍

356

田中宏幸῍永嶺謙忠

Fig. 13. Conceptual three dimensional view of segmented detection systems placed in a container used for the Mt.
Asama experiment. The detector is comprised of scintillation counters protected by aluminum housings asshown in this ﬁgure.
図 13 浅間山麓の浅間園に設置されたコンテナ内の実験装置の 3 次元概念図ῌ アルミケ῎スに保護されたカウンタ῎は図に示されているようにセグメント検出器を構成しているῌ

Fig. 14. Analysis Flow.
図 14 解析の流れῌ宇宙線ミュオンによる火山体内部探索357

存性を多重イベントカットを行ったものと行わなかった
ものに対してプロットしたのが Fig. 15 である῍ 多重イ
ベント成分を取り除いたデ῏タは Fig. 5 において岩石の厚さを 0 にしたときに予想される宇宙線ミュオン強度の天頂角依存性を良く再現する῍
6. 浅間山を対象とする観測

宇宙線ミュオン検出器系の応用の最初のステップとしてῌ 浅間山山体内部にあるすでに知られている構造を外から透過像として観測する実験が考えられた῍ もっともやさしい実験として最大口径 350mῌ 深さ 228m の火口を山の外から観測することを試みた῍ 火口を麓から直接観測することはできない῍
測定器は山頂北側の浅間園の駐車場に設置した῍ 以下
Fig. 15. The e#ect of multiplicity cut analysis. The
data without multiplicity event is consistent with
Fig. 5 of zero thickness.
図 15 イベントのマルチプリシティ῏カットの効
果῍ マルチプリシティ῏イベントを取り除いた
デ῏タは図 5 の岩石の厚さを 0 とした場合と矛盾しない῍の観測結果は浅間園におけるものである῍ 浅間園の観測場所は浅間山頂からほぼ真北ῌ 3900 mῌ 標高 1400 m の位置にある῍ 浅間山の標高が 2568 m あるのでῌ 観測位
置から山頂までの相対的な高度差は 1168 m となりῌ 山体を望む最大仰角は 291 mrad となる῍ 対象となる火口は直径 350 mῌ 最大深さ 228 m であるのでῌ 観測地点から望む際はῌ 水平約 90 mradῌ 上下に 58 mrad の逆円錐

5ῌ2 解析

状の形状を持った空洞を見ることになる῍ これらの状況

40 個の TDC のタイムスペクトルデ῏タはオンライン

を記すとῌ Fig. 16 のようになる῍

モニタ῏上でソフトウェア的に処理されῌ 宇宙線ミュオ

6ῌ1

される῍ マルチプリシティ῏解析は以下の手順で行われた῎

浅間山を透過する宇宙線ミュオンイベントのモ
ンテカルロシミュレῌション

ンの飛来方向を表す 2 次元ヒストグラム (q, f) に変換

浅間山を透過してくる N m (q) を定量的に確認するために以下のモンテカルロシミュレ῏ションが行われた῍(A) 4 つの検出器平面を同時に通過した宇宙線ミュオ

ここではῌ 計算時間を節約するためにῌ 宇宙線は検出器

ンはイベントトリガ῏を生成する῍ よって光電子付近で発生されῌ 山体方向へバックトラッキングされ増倍管起因のダ῏クカレントなどの検出器内ノイた῍

ズ以外の宇宙線信号のみが TDC タイムスペクト
ルに記録される῍

1῍ 式 (7) を用いて天頂角 q῍ῌ 水平角 fῌ およびエネル

ギ῏ E の宇宙線ミュオン Nm (E, qz) を生成する῍(B) 検出器平面内の宇宙線ミュオンの位置は平面内の2῍ 検出器をヒットしたかどうかを確認する῍ ヒットし

TDC タイミングのコインシデンス ῐ同時発生ῑ にたら次のステップへῌ しなかったら最初のステップ

よって決定される῍へ戻る῍(C) 二つの検出器平面内で決定された位置を直線で結ぶことによって宇宙線ミュオンの飛来方向が決定される῍(D) (C) に基づきῌ 前方から飛来する宇宙線ミュオンと後方から飛来するミュオンを区別する῍3῍ 天頂角 q῍ῌ 水平角 f 方向の浅間山の経路長を地形図より決定する῍
4῍ 山体の密度に対するῌ ミュオン経路に沿った密度長L (q, f)r を決定する῍
5῍ 入射宇宙線ミュオンエネルギ῏と式 (12) ῐあるい(E) 同じ検出器平面内で二つ以上のイベントが同時には (17)ῑ より求められたエネルギ῏ロス E lossを比観測された場合はこれをῌ ソフトコンポ῏ネント

較する῍ EῒE lossの場合ステップ 1 へ戻りῌ EΐE loss

由来のものであるとして取り除く ῐ多重イベント解析ῑ῍

の場合ステップ 6 へ進む῍
6῍ 検出器の位置を返す῍

上記の手順に対するフロ῏チャ῏トは Fig. 14 に示さ上記のプロセスに対するフロ῏チャ῏トは Fig. 17 にれている῍ この手順に従って宇宙線イベントの天頂角依示されている῍ エネルギ῏ῌイベントに累乗法則の依存358

田中宏幸῍永嶺謙忠

Fig. 16. Geometrical arrangement for the counter versus Mt. Asama taken in the present measurement: (upper)
conceptual three-dimensional view; (lower) horizontal view.
図 16 浅間山におけるテスト実験の装置配置図῎ ῐ上ῑ 立体概念図῏ ῐ下ῑ 浅間山の位置ῌ宇宙線ミュオンによる火山体内部探索359

Fig. 17. Flow of Monte Carlo simulation.
図 17 モンテカルロシミュレ῍ションの流れῌ

Fig. 18. Correction of e$ciency ((detector area) ῐ (solid angle)) of the detection system for the present
measurement.
図 18 今 回 用 い た セ グ メ ン ト 検 出 器 に お け る そ れ ぞ れ の 宇 宙 線 入 射 方 向 に 対 す る エ フ ィ シ エ ン シ ῍῎検出面積ῐ立体角῏ 補正図ῌ田中宏幸 永嶺謙忠

360Fig. 20. The histogram for the top region of
azimuthal angle (solid line). The data indicatedby sky is also shown (broken line).
図 20 宇宙線ミュオンの天頂角依存性の 山側と 空側 の比較 水平角は山頂方向と一致している 山側 のデタは実線で 空側 のデタは点線で示されている

Fig. 19. Two dimensional map of the cosmic-ray
muon intensity represented by azimuthal andvertical angles.
図 19 水平 仰角の座標で表した通過経路ごとの宇宙線ミュオン強度の 2 次元表示

を通過する宇宙線ミュオンの強度を検出器から山体を見性をもつ宇宙線ミュオンにシミュレションの際にエネした測定器系を用いて 3 カ月間 2002 年 2 月2002 年 4

ルギの下限切断を決定することは重要である 10月 にわたる観測を行った 検出器系に入る宇宙線ミュて 宇宙線ミュオンの通過点を水平角 f と仰角 q (90 ῌqz) とで示された 2 次元ヒストグラムで表現する 前述

GeV/c 以下の運動量をもつミュオンに対してその振るオンの強度を通過経路ごとに表示することにより 浅間

舞いを確認するためにその岩石中における透過力をモン山の各点を通過した宇宙線ミュオンの強度減衰がわか

テカルロ計算によって評価したが 数十 m 以上の厚さ

り 各 通 過 点 に お け る 山 体 の 密 度 長 密度経路長

の岩石を一つも透過することができなかった よって計がわかる 検出器は宇宙線入射方向に対して異なるエ

算の下限切断を 10 GeV に設定した この設定によりコ

フィシエンシ 検出面積立体角 (Fig. 18) をもつの

ンピュタ計算時間を格段に少なくすることができた

で そのコレクションを行った Fig. 19 はエフィシエン

上述の流れに従って さまざまな浅間山火口中のマグマシコレクションを行った 水平 仰角の座標で表したの体積占有率に対してモンテカルロシミュレションが通過経路ごとの宇宙線ミュオン強度の 2 次元ヒストグラ

行われた このようなシミュレションは実験値を定量

ム表示の一例である 水平角 仰角表示は山体位置の的に評価するうえで 実験上 非常に重要である

水平距離 高さ と考えてよい 山体の外形に即した

6ῌ2

浅間山を透過した宇宙線ミュオンイベントの水

ミュオン強度の減少が見られる 次にわれわれは宇宙線

平方向およびῌ 垂直方向の分布

ミュオンの天頂角依存性の 山側 と 空側 の比較を

われわれの検出器系が実現できる角度分解能は 66

行った Fig. 20 にはミュオンイベント N m (q) の仰角依

mrad であるので 3900 m 先の山体の通過路が通過路に存性がプロットされている 水平角は頂上方向に一致す

直角な平面上で260 m の精度で決定される すなわち

るよう選ばれた 山体付近で期待される宇宙線ミュオン

検出器の面と平行な面内で 260 m のユニットで山体強度の大きな変化がはっきりと見られる Fig. 21 には宇を区切って 山体の密度長を求めることができる 山体

宙線ミュオン強度の水平角方向の強度変化が 山側 と

宇宙線ミュオンによる火山体内部探索361

Fig. 21. (Top). Observation region. A crater is indicated with a red line. The results of the measurement (with azenith angle of 330ΐ66 mrad) of the variation of the cosmic ray intensity with the azimuthal angle from the
backward (Middle, left; cosmic-ray muons passing through nothing) and forward (A, B, and C) directions areplotted with error bars. Normalized Monte-Carlo simulation results for 0.5 g /cm3, 1.0 g /cm3, 1.5 g /cm3, 2.0 g/cm3, and 2.5 g /cm3 are also plotted.
図 21 宇宙線ミュオン強度の水平角方向の強度変化とその浅間山における位置関係῍ ῏上段ῐ 観測領域ῌ 火口が赤線で表示されている῍ (A) 空 ῏仰角῔330ΐ66 mradῐ (B) および (C) 頂上付近における火口の検出が平均密度 2.5 g /cm3 を仮定したモンテカルロシミュレ῎ションとデ῎タとの比較により行われた῍ ῏0.5 g /cm3, 1.0 g /cm3, 1.5 g /cm3, および 2.0 g /cm3ῐ に対する他の計算値も示されている῍

反対側障害物なしにやってくる ῑ空側ῒ の宇宙線ミュオ

2.0 g /cm3, 1.5 g /cm3ῌ および 1.0 g /cm3 に対するモンテ

ン強度分布との比によってῌ 表されている῍ 火口が存在

カルロ計算の結果もあわせて掲載されている῍

3

しない場合を仮定したときの山体の平均密度 2.5 g /cm ,ῑ山側ῒ と ῑ空側ῒ から飛来する宇宙線ミュオン強度分

362

田中宏幸῎永嶺謙忠
布の比を定量的に評価するためにῌ 頂上に火口がないῌ
平均密度 2.5 g /cm3 の山体を仮定したモンテカルロ計算との比較を行った῍ 火口位置でモンテカルロ計算から予測される値より多くのミュオンが観測されていることがわかる῍ この宇宙線ミュオン強度の増加からῌ 火口が完
全に岩石で占められている場合を仮定したときῌ 火口付
近の密度は約 1.0 g /cm3ῐ0.5 g /cm3 と求められる῍ これはῌ 浅間山の火口付近を透過したミュオン強度が山体の内部構造を反映することによってῌ 火口の存在を明確に示していることを表しておりῌ 宇宙線ミュオンが火山体の内部構造探索に使える可能性があることを主張した
い῍ われわれはこの 4 カ月間に及ぶ宇宙線ミュオン観測
によって数百メ῏トルからキロメ῏トルオ῏ダ῏に及ぶ

Fig. 22. Visualization of the data by 2-D cubic
spline interpolation method.
図 22 2 次元スプライン補間法を用いたデ῏タの視覚化῍

岩石内部に隠れる火口の透かし撮りに成功した῍
6ῌ3 火口のイメῌジング
Fig. 19 の浅間山の外形に即した変化を明確に示すῌ 宇

Fig. 23. Reproduced cosmic-ray muon radiographic image of Mt. Asama from 15ῑ7 discrete two dimensional
data as obtained with 2-D cubic spline interpolation method. Event decrease in cosmic-ray muon intensity
corresponding to the shape of the mountain is indicated.
図 23 15ῑ7 の離散 2 次元デ῏タポイントを用いて 2 次元スプライン補間法により再生成された浅間山の透過像῍ 実際の山体の形状に応じたイベントの減少が見られる῍

宇宙線ミュオンによる火山体内部探索363

Fig. 24. (Left) Photograph of Mt. Asama taken from the detection system. Hidden crater is indicated in thisﬁgure῍ (Right) The di#erence between simulation data and experimental data.
図 24 ῏左ῐ 検出器から見た浅間山の写真῍ 図中に山体に隠れた火口が示されている῍ ῏右ῐ シミュレ῎ション
デ῎タと実験デ῎タの差῍Table 1. Values of typical data points (three months). Monte Carlo simulation was performed by assuming thecompletely ﬁlled crater.
表 1 いくつかの典型的なデ῎タ点の値 ῏3 カ月ῐ῍ シミュレ῎ションは火口が完全に埋まっている場合を仮定して行われた῍Azimuthal Angle

Vertical Angle

Data

Simulation

Di#erence

ῑ169 mrad
ῑ169 mrad
ῑ169 mrad

185 mrad323 mrad453 mrad

2143
29840
54531

0
25470
54048

2143
4370
303

宙線ミュオンイベントの 2 次元ヒストグラムの視覚化を

mrad でスプライン平面が生成された῍ Fig. 23 から補間行うためにデ῎タの補間を行った῍ 離散デ῎タの多次元を行うことによって Fig. 19 の離散的な山体の形状が格補間は視覚化に適した表現を与える῍ 補間の妥当性は山段に滑らかになりῌ 実際の山体の形状に近づいたことが体の空間的平滑性ῌ それゆえにῌ ミュオンイベント変化

わかる῍の平滑性に基づいている῍ デ῎タ点における 1 次微分お6ῌ4 火口の形状の検出

よび 2 次微分が接続点で等しくなるように決定する 3 次

Fig. 21 に示されている山体頂上付近におけるミュオ

元スプライン法による補間平面作成のイメ῎ジは Fig.

ンイベントの優位性は火口の存在を示す低密度領域が存

22 に示されている῍ 補間を行う目的はそれぞれのデ῎タ

在することを示している῍ しかしῌ その効果を直接 Fig.

間の変化量というῌ いわば 2 次の情報を用いてῌ 離散

23 に見ることが困難であることからῌ われわれはモンテ

デ῎タ間の値 ῏補間値ῐ を決定することである῍ スプラ

カルロ計算の結果を基準として実験デ῎タを評価するこ

イン補間により生成される関数はデ῎タを直接トラッキとにした῍ Fig. 24 は実際得られた宇宙線ミュオンイベン

ングするのでスム῎ス関数に比べて変動は大きくなる

ト数と火口が密度 2.5 g /cm3 の一様な岩石で満たされたがῌ スム῎ジングによる補間では補間関数と実際のデ῎

場合のシミュレ῎ション結果の差を表している῍ 山体にタポイントの値との差が大きくなり補間値の信頼性に乏おける火口の位置を明確にするためにῌ 差は山体に対応

しい῍ よって補間関数としてスプライン関数が選ばれする部分のみでとられた῍ ここでῌ 火口が隠れているとた῍ 関数のデ῎タセットへの適用を回帰的に何度も行う予想される山体の位置に火口の存在を視覚的に表示できことによってῌ 適切なパラメ῎タが決定されῌ 15ΐ7 のたことが重要なポイントである῍ Fig. 24 における典型的

離散 2 次元デ῎タポイントを用いてセルサイズ ῔ῒ20

なデ῎タポイントに対する値が Table1 に示されている῍田中宏幸῎永嶺謙忠

364

Fig. 25. The experimental data as obtained with present experiment in Mt. Asama were compared to thesimulation data for various magma occupancies in a crater.
図 25 今回得られた実験デῐタとῌ さまざまな火口の岩石による占有状態に対するῌ シミュレῐション結果と
の比較῍

7. 結

論

できた῍ 山体中における未知の構造ῌ 例えば火道や空洞

われわれは浅間山における今回の実験から山頂付近になどの存在がこの装置によって検出し得ることを確認し隠れる火口の検出が宇宙線ミュオンを用いて十分可能でた῍ またῌ 今回の実験より以下の重要なことを確認した῍あることを確認した῍ 火口という山体中の低密度領域に(a) 4 カ月にわたる観測期間中の光電子増倍管のゲイ

ミュオンイベント数の増加が期待されるのでῌ シミュ

ンドリフトによる個῏のカウンタῐのカウンティ

レῐションから得られるさまざまな火口内のマグマ占有率の違いによる値の変化はῌ 火口内部の状態の定量的な評価を可能にする῍ 実験により得られたデῐタはシミュ

ングレῐトの変動は 2% 以内であった῍(b) 火口の存在を示す宇宙線ミュオンのイベント数増加を確認した῍

レῐションと詳細に比較されῌ 火口内部の状態の定量的(c) 実験デῐタとシミュレῐションとの比較により浅な評価が行われた῍ Fig. 25 は 3 カ月間にわたる今回の実

間山の火口の体積占有率が 30 vol.% 以下であるこ

験で得られた宇宙線ミュオンイベント総数を 2 次元ヒスとを確認した῍

トグラムに示したものである῍ Fig. 25 の左には Fig. 24

7ῌ1 将来への展望と同じ図を右には Fig. 24 と同様の解析手順には従って

現在の観測システムの電源供給は発電所から供給されいるがῌ 実際のデῐタのかわりにさまざまな火口内におる電力でまかなわれている῍ それゆえῌ システムの設置

ける岩石の体積占有率 ῑ0 vol.%, 30 vol.% および 100

場所は必然的に発電所からの電源供給が可能な場所に限

vol.%ῒ に対するシミュレῐションに置き換えて作られ定される῍ 一方でῌ デῐタの収集能率の向上には空間的た図が示されている῍ Fig. 26 には Fig. 25 の火口付近の解像度を保持しつつῌ カウンタῐのミュオン収集立体角

ミュオンイベントの総和がシミュレῐションと比較されを向上させる必要がある῍ これを実現させる最も容易なている῍ 図より 3 s 以上の精度で火口内の岩石占有率は

方法は観測システムを山体に近づけることである῍ とこ

30 vol.% 以下であることがわかる῍

ろがῌ これは発電所からの電力供給方法とは矛盾する῍

今回の実験で山体に隠れた火口を明確に捉えることが現在ῌ われわれは自己完結型の電力供給システムを開発

宇宙線ミュオンによる火山体内部探索

365

Fig. 26. Comparison between simulation and muon event in the vicinity of a crater. The error bars plotted in thisﬁgure are in order that Poisson statistical uncertainties (the square root of the number of eventsῒ1 s) permit
the rock occupancy in the crater to be less than 30 vol.% at a conﬁdence level of 3 s.
図 26 図 25 の火口付近のミュオンイベントの総和とシミュレ῎ションとの比較῍ 図中のエラ῎バ῎はポアソン
確率過程に基づく統計的不確定性 ῏イベント数の 2 乗根ῒ1 sῐ を表しておりῌ これより火口内の岩石占有率は 30 vol.% 以下であることがわかる῍

中である῍ このシステムではῌ 電力供給は太陽光発電に

1 カ月半の測定で検知できることを示している῍ もとよ依存する῍ 現在の電力消費量を新しい回路系の導入によりῌ 検出器系を増強すれば単純に測定時間が減少する῍りῌ 低く抑えることによってῌ コンテナ屋根部分にとり例えばῌ 観測システムを対象から 1000 m の位置に 7 台つけた太陽光発電器およびῌ 予備バッテリ῎の組み合わ設置すればῌ 厚さ 800 m 程度の山頂における数 % の密

せでῌ 外部電力供給に頼らず宇宙線ミュオン観測を行う

度異常が 1 週間程度の測定時間で検知できる῍ このようことが可能になる῍ このシステムの実現によりῌ 原理的な測定をトモグラフィ῎的に行えばῌ 山体中における密には観測システムを山体の任意の場所に設置することが度異常を 3 次元的に決定することができる῍

できるようになりῌ 宇宙線ミュオンデ῎タテ῎キング

これまでの観測結果のアナロジ῎よりῌ 単純に宇宙線

῏デ῎タ収集ῐ の効率の向上も期待できる῍ Fig. 5 で示し

ミュオン検出器系の面積を増やすことでῌ 火山体の内部

た山体の厚さと宇宙線ミュオンの透過強度との関係ῌ お

構造に対するより詳細な知見を短期間に得られる῍ 面積

よびテスト実験の結果からῌ 2 m2 の検出器系内での荷電を拡大した検出器系を用いてῌ 週単位ῌ 月単位の観測を粒子の位置検出精度が無限に良くῌ 観測対象物から 1000

従来の地震波による内部探索方法ῌ および重力による密m に近づくことができたと仮定して変化の割合を計算

度測定法と相補的に行うことによりῌ 火山の新しいῌ あ

することができる῍ 対象物に対してῑ130 m の空間分解

るいは今までに見られない活動の兆しを観測できるよう

能で 800 m の山体中の密度決定を水平方向から飛来すになることを期待できる῍るミュオンを用いて 50 日間で ῑ3.2 % の精度で決定することができる῍ これは厚さ 800 m の山体中に 25 m 程

8. ま と め

度以上の厚みの変化に対応する異常が存在するときῌ 約

火山体内部観測に有効な宇宙線ミュオン観測システム

田中宏幸῎永嶺謙忠

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がセグメント検出器の開発ῌ およびマルチプリシティῐ
カット解析手法の確立により実現された῍ 500 m 以上の岩石を透過してくる宇宙線ミュオンを用いてῌ 浅間山山体に隠れる火口の検出に成功した῍ この結果より将来ῌ
より一層の検出器系の拡大を図ることでῌ 火山体内部の詳細な構造およびῌ その時間変化を宇宙線ミュオンにより的確に捕らえることができる可能性が示された῍
謝辞

ここに述べられている実験はῌ 中村 哲 ῑ東北大学理学系研究科ῒῌ 河村成肇 ῑ高エネルギῐ加速器研究機構ῒῌ
下村浩一郎 ῑ高エネルギῐ加速器研究機構ῒῌ 石田勝彦
ῑ理化学研究所ῒ 各氏との共同実験でῌ 装置についての技

術的な詳細に関する報告は別途英文にてなされる῍ 資金
的な面でご協力頂いた三菱財団ῌ および小林俊一理事長
をはじめとする理化学研究所の関係各位の皆様に深く感謝する῍ またῌ 計画当初よりῌ 有益な助言と激励を頂いた 故小田 稔ῌ 西村 純ῌ 脇田 宏ῌ 戸塚洋二の諸先生に深く感謝する῍ さらにῌ 浅間山での実験に関してご支
援頂いた市村雄平鬼押出し浅間園園長をはじめとする浅間園のスタッフの方῏ῌ 井田喜明東京大学地震研究所浅間火山観測所所長に感謝する῍ 実験初期において共同実
験者であった岩崎雅彦氏 ῑ理化学研究所ῒ に感謝する῍
またῌ 中島善人氏と一名の匿名の査読者からはῌ 本稿の改善に有益なご指摘および助言を頂いた῍ この場を借りて感謝の意を表したい῍
引用文献
Adair, R. K. and Kasha, H. (1976) Muon Physics. Academic Press, 1, 323.
Alkofer, O. C., et al. (1985) Cosmic ray muon spectra at
sea level up to 10 TeV. Nuclear Physics, B259, 1ῌ18.

Alvarez, L. W., et al. (1970) Search for Hidden Chambersin the Pyramids. Science, 167, 832.
GEANT3 manual (1994) CERN Program Library Long
Writeup, W, 5013.
Golden, R. L., et al. (1995) Measurement of the energy
spectra of cosmic ray electron component and protons at
ground level. J. Geophys. Res., 92, 23515ῌ23522.
Heck, D., et al. (1998) CORSIKA. FZKA Forschungszentrum Karlsruhe, 6019.
Kellogg, R. G., Kasha, H. and Larsen, R. C. (1978) Momentum spectra charge ratio, and zenith-angle dependence of cosmic-ray muons. Phys. Rev., D17(1), 98ῌ113.
Kodaira, K., et al. (1999) Chronological Scientiﬁc Tables,
154.
Matsuno, S., et al. (1984) Cosmic-ray muon spectrum up to
20 TeV at 89ΐ zenith angle. Phys. Rev., D29(1), 1ῌ23.
Nagamine, K., Iwasaki, M., Shimomura, K. and Ishida, K.
(1995) Method of probing inner-structure of geophysicalsubstance with the horizontal cosmic-ray muons andpossible application to volcanic eruption prediction.
Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., A356, 585.
永嶺謙忠 (1995) 宇宙線ミュオンを用いた火山体トモグ
ラフィῐ῍ 地学雑ῌ 104, 998ῌ1007῍Nakamura, S. N. and Iwasaki, M. (1997) A new dataacquisition system for RIKEN-RAL mCF experiment.
Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., A388, 220ῌ225.
Tanaka, H., Nagamine, K., Kawamura, N., Nakamura, S.
N., Ishida, K. and Shimomura, K. (2001) Developmentof the cosmic-ray muon detection system for probinginternal structure of a volcano. HYPERFINE INTERACTIONS, 138(1ῌ4), 521ῌ526.
Tanaka, H., Nagamine, K., Kawamura, N., Nakamura, S.
N., Ishida, K. and Shimomura, K. (2003) Developmentof a two-fold segmented detection system for near horizontally cosmic-ray muons to probe the internal structureof a volcano. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., in press.
ῑ編集担当 小川康雄ῒ