From Tunnel Overburden Reconstruction to Tidal Measurements via atmospheric muon
HAWLおよびHAWLUプロジェクトは、車両搭載型のポータブル検出器を用いて山岳地形のマッピングに成功し、また、改良された小型システムを用いて海底トンネル内の潮汐による水位変動をメートル規模の精度で測定したことにより、ダイナミック・ミューグラフィ（動的ミューグラフィ）の能力を実証しています。
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地表の遥か深くでは、目に見えない粒子の絶え間ない雨が空から降り注いでいます。これらは宇宙線ミューオンであり、宇宙からの高エネルギー粒子が私たちの大気と衝突した際に生まれる亜原子の断片です。ほとんどの物質とは異なり、ミューオンは驚くほどタフな旅人です。彼らは停止するまでに、数百メートルの岩石や水を突き抜けることができます。この独特な能力により、ミューオンは、本来ならば見るのが不可能なものの内部を覗き見るための自然なプローブ（探針）となります。数十年にわたり、科学者たちはミューオンを用いて火山や古代ピラミッドの内部を覗き込み、どれだけの数のミューオンが通過するかを数えることで、その内部密度をマッピングしてきました。構造物が高密度であれば通過するミューオンは少なく、中空であったり密度が低かったりすれば、より多くのミューオンが到達します。この技術は長らく静的な対象物を研究するために使われてきましたが、韓国の研究による新しい研究は、これらの粒子を用いて、車両が山を通り抜ける様子や、海洋の規則的な満ち引きをリアルタイムで観察する方法を実証しています。
中央大学のチウォン・ソ氏率いる研究チームは、これらのアイデアを二つの全く異なる方法でテストするために、HAWLと呼ばれる携帯可能なシステムを開発しました。第一に、彼らはトンネル内を走行しながら、道路上の地面をマッピングできるかどうかを検証したいと考えました。彼らは、ミューオンが通過する際に光を放つプラスチック・シンチレータ（素材のブロック）を用い、それらを高感度センサーに接続した検出器を製作しました。この装置を車のトランクに搭載し、ソウル–ヤンヤン高速道路を走行して47箇所のトンネルを通過しました。車が移動するにつれ、検出器は上方から到着するミューオンをカウントしました。車がトンネル内にいるとき、ミューオンはセンサーに到達するために頭上の山岩を通り抜けなければなりません。ミューオンの到着率を分析することで、チームは自分たちの真上にある山の厚さを計算することができました。彼らは、このシステムがトンネルの長さを6.0パーセントの精度で測定でき、上部の岩石の重さを水当量で8メートルから400メートルまで特定できることを見出しました。これは、高速道路の速度で移動する単一の検出器が、リアルタイムで山脈の形状を効果的にマッピングできることを意味しています。
研究の第二部は、異なる環境で行われました。それは、海の下を通る全長6.9キロメートルの通路である、保寧（ボリョン）海底トンネルです。ここでは、研究者たちは検出器を動かさず、代わりに固定した状態で31日間置き、潮汐がミューオンのカウントにどのように影響するかを観察しました。そのアイデアは単純ですが深遠なものでした。潮が満ちると、トンネルの上にある海水層が厚くなり、より多くのミューオンを遮ります。潮が引くと、水の層が薄くなり、より多くのミューオンが通過します。チームはこの正確なパターンを観察しました。測定の過程で、水位が上がるたびにミューオンの数が明確かつリズムを伴って減少することを記録しました。彼らは、潮が1メートル上昇するごとに、ミューオンのカウントが1.72パーセント減少することを算出しました。この小さくも一貫した変化は、彼らの検出器が、地下深くから海自体の重さを量れるほど十分に敏感であることを証明しました。
これらの結果が、単なる天候の変化によるものではないことを確実にするため、科学者たちはカウントに影響を与える可能性のある他の要因をチェックしました。彼らは、地上に到達するミューオンの数を変化させることが知られている大気温度と気圧を調べました。しかし、これらの天候の変化とデータとの間に有意な関連性は見られませんでした。また、変動のタイミングを分析するために数学的手法を用いたところ、潮汐特有の12.4時間のサイクルが明らかになり、信号がランダムなノイズではなく海洋に由来することが確認されました。さらに、発見の妥当性を高めるために、彼らは同じ海底トンネルを10回走行して検出器を通過させ、移動スキャンによるデータをトンネルの設計モデルと比較しました。移動スキャンからのデータはモデルと完璧に一致し、検出器が安定しており正確であることを証明しました。
この研究は、ミューオン検出が静的なマッピングの道具から、動的なモニタリングシステムへと進化していることを示しています。研究者たちは、携帯可能なデバイスが移動しながら広大な地形をスキャンできること、そして固定されたデバイスが、メートル単位の精度で環境の緩やかな自然的変化を追跡できることを実証しました。これらの能力は、私たちの惑星を観察する新しい方法への扉を開きます。潮汐や山脈を測定したのと同じ技術が、火山の噴火前の膨張、陥没穴周辺の地盤の変化、あるいは津波による急激な水位上昇といった、他の変動する危険を監視するために利用できる可能性があります。目に見えない粒子を地球内部のライブフィードに変えることで、この研究は、私たちの足元にあるダイナミックな世界を理解するための新しい手法を提示しているのです。
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