Table of Contents Introduction Methods Results and discussion Summary

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Presentation transcript:

Muography in Usu Taro KUSAGAYA1, Hiroyuki TANAKA1, Akimichi TAKETA1, Hiromistsu OSHIMA2, Tokumitsu MAEKAWA2, Izumi YOKOYAMA3 1. Earthquake Research Institute, University of Tokyo 2. Usu Volcano Observatory, Hokkaido University 3. The Japan Academy Thank you Mister/Madam Chairperson. Good morning, everyone. I’m going to talk about “Muography in Usu volcano” “development of multilayer muography for imaging a middle-scale volcano.”

Table of Contents Introduction Methods Results and discussion Summary Motivation: why development ? The issue of noise in conventional detector Methods Linear cut method with multilayer detector Results and discussion Improved data of test measurement in Usu volcano Summary In this presentation, first I’m going to talk about motivation of this work and the issue of background noise in conventional detector. And I’ll show you the linear cut method with multilayer muon detector for reducing the background noise. After that I will show you improved data of a test measurement in Usu volcano, Hokkaido, Japan. Finally, I will make a summary.

Motivation: why development? If cosmic ray muons penetrate a volcano with a thickness of > 1 km, muography is difficult. ↓Because More thickness of rock results in less muons(signal), that is, worse signal-to-noise(S/N) ratio. ↓Then In order to obtain a real density structure of a large volcano, muography needs improvements. ↓So We developed a low noise muon detection system. 昭和新山[Tanaka et al., 2007] 火道構造 薩摩硫黄島硫黄岳[Tanaka et al., 2009a] 脱ガス現象 浅間山[Tanaka et al., 2009b] 2009年噴火前後の変化 La Soufrière(フランス)[Lesparre et al., 2012] 溶岩ドーム密度異方性 Puy de Dôme(フランス)[Cârloganu et al., 2012] Puy de Dome上部の密度 muon flux steeply decreases as a path length of a muon become longer. If cosmic ray muons penetrate a volcano with a thickness of more than 1 kilometer, muography is difficult for the conventional detector because the background noise doesn’t depend on a thickness of a volcano. Then, in order to obtain a real density structure of a large volcano, we need to improve signal-to-noise ratio. So, we developed a low noise muon detection system.

The issue of Background(BG) noise in conventional detector EM shower particle (electron, positron, gamma ray) Conventional detector Then, I'll show you the issue of the background noise. We assumed the background noise as fake tracks generated by accidental coincidence of electromagnetic EM shower particles. They consist of electron, positron, and gamma ray. With a conventional detector that consists of two PSDs, we cannot discriminate EM shower particles from muons in this case. μ? A fake track is generated by accidental coincidence of electromagnetic(EM) shower particles

Noise reduction by software -Linear cut method- Use multilayer detector →Check the linearity of a detection pattern by software. So, we used multilayer detector and processed data with software. Multilayer detector consists of many PSDs. When muons penetrate the multilayer detector, the detected positions of each PSD make straight line. On the other hand, EM shower particles make a detection pattern at random. So, we can discriminate EM shower particles from muons. μ?

Noise reduction by software -Linear cut method- We call this discrimination method Linear cut method and I will show you in some detail. This is the side view of a multilayer detector. When each PSD detects a particle, we connect two detected position at the ends of a multilayer detector with a band. The width of the band derives from a position resolution of a PSD. Then, if all detected positions are included within the band, we count as a muon. μ

Noise reduction by software -Linear cut method- Text data of WHEN and WHERE muons passed in each position sensitive detector is recorded. Time, X1,Y1, X2,Y2, X3,Y3, … Then process the text data with our AWK code. X_i_min = linearcut1_slopeX * (plane_combination[i]-1) X_i_max = linearcut1_slopeX * (plane_combination[i]-1) gridX_i_min = $(4*(plane_combination[i]-1)+3) gridX_i_cen = gridX_i_min + 0.5*width_of_scintillator gridX_i_max = gridX_i_min + width_of_scintillator . . . . . . But, if any detected position is not included within the band, we remove this event as an EM shower particles event. The measured data include arrival time and detected positions of each PSD. The data are text format, so we processed with our AWK code. μ

Verification test Usu Volcano, Hokkadio, Japan 1 km Measurement range(±30°) Negative azimuth −φ Positive azimuth +φ Ko-Usu Oo-Usu Then we performed verification test of our detection system. This is the topographic map of southwest of Hokkaido, Japan. And we tested our detection system in Usu volcano. Usu volcano has a suitable size for our verification test that has a thickness of about a few kilometers. The red star is an installed place. In our test measurement, a horizontal measurement range was like this. Showa-Shinzan Usu-Shinzan Meiji-Shinzan Lake Toya Installed place (Usu Volcano Observatory, Hokkaido Univ.)

Verification test Detector configuration Lake Toya Oo-Usu Meiji-Shinzan Ko-Usu 1 km Installed place (Usu Volcano Observatory, Hokkaido Univ.) Measurement range(±30°) Negative azimuth −φ Positive azimuth +φ Usu-Shinzan Showa-Shinzan From Oct. 20, 2012 7 layers, effective area 1.21 m2 10x10 cm2/segment Angular resolution ±3° θRMS=1.4°(角度分解能) 1.21 m2 Oo-Usu Oo-Usu I'll show you detector configuration. Our detector consisted of seven PSDs. And effective area was 1.21 square meters. Angular resolution was about plus or minus 3 degrees. The observation started from October 20th, 2012. 2[{1+(1-x/3}x/2]/(6×1/2)=0.68 x=1.4 1 2 3 4 5 6 7 Rotatable mount

Verification test Muon path length distribution Oo-Usu Usu-Shinzan 3000 2000 1000 300 200 100 Open sky Path length[m] elevation θ [mrad] > 1 km -400 -600 -200 200 400 600 azimuth φ [mrad] How long do muons penetrate in Usu volcano? Read from topographical map, the path lengths of muons for each azimuth angle and elevation angle are shown in this figure. The violet color means open sky that muons reach our detector directly from sky. As the color figure shows, most of path lengths are more than 1 kilometer. ©Google Earth Oo-Usu Usu-Shinzan South 地形図作成時の等高線水平誤差:±7.5m Path Length 地形図からの水平読み取り誤差:±1.5m θ φ 0 m 1000 m 2000 m 3000 m 空や薄い岩盤を含まない領域を使って解析するために、  仰角 166±55 mRad、 222±55 mRad  (ただし方位角 -55±55〜556±55 mRad) の角度領域を選んだ。

Results raw data from conventional 2-layer detector Oo-Usu Usu-Shinzan 300 200 100 elevation θ [mrad] The data do NOT reflect the distribution of path length. > 1km thickness -400 -600 -200 200 400 600 azimuth φ [mrad] Here I show result of the raw data from conventional two-layer detector. The redder color means more muons we observed and the bluer color means less muons. On the range with a path length of more than 1 kilometer, the data do NOT reflect the path lengths distribution. This was caused by the background noise. Well, how about our seven-layer detection system? 地形図作成時の等高線水平誤差:±7.5m 地形図からの水平読み取り誤差:±1.5m μ 0 m 1000 m 2000 m 3000 m 空や薄い岩盤を含まない領域を使って解析するために、  仰角 166±55 mRad、 222±55 mRad  (ただし方位角 -55±55〜556±55 mRad) の角度領域を選んだ。

Results raw data from 7-layer with software analysis Oo-Usu Usu-Shinzan 300 200 100 elevation θ [mrad] The data reflect the distribution of path length. > 1km thickness -400 -600 -200 200 400 600 azimuth φ [mrad] This is a result. As you see, the data reflect the path length distribution. Then, how much background noise did we reduce? 地形図作成時の等高線水平誤差:±7.5m 地形図からの水平読み取り誤差:±1.5m μ 0 m 1000 m 2000 m 3000 m 空や薄い岩盤を含まない領域を使って解析するために、  仰角 166±55 mRad、 222±55 mRad  (ただし方位角 -55±55〜556±55 mRad) の角度領域を選んだ。

Results Noise reduction rate 300 200 100 400 100 90 50 elevation θ [mrad] Noise reduction rate[%] > 1km thickness This figure shows noise reduction rate. Noise reduction rate is the amount of noise of conventional two-layer detector. We reduced more than 90% of the noise with a path length of more than 1 kilometer. -400 -600 -200 200 400 600 azimuth φ [mrad]

Results Density distribution Lake Toya Usu-Shinzan Oo-Usu A B Then, with our low noise detection system, we measured density distribution of Usu volcano. I will project the density distribution on A-B vertical cross section including Oo-Usu peak and Usu-Shinzan peak. Showa-Shinzan Usu Volcano 大有珠小有珠有珠新山の位置を明確に

Results Density distribution on AB cross section Measurement duration 1977 hours Oo-Usu (φ=0 mrad) Usu-Shinzan (φ=398 mrad) 100 174 200 348 300 522 400 696 500 871 600 1044 −100 −174 −200 −348 −300 −522 −400 −696 −500 −871 −600 −1044 Azimuth[mrad] Distance[m] 140 0 314 100 488 200 662 300 836 400 1011 500 1185 600 Altitude [m] Elevation[mrad] A B 2.4 2.1 1.8 1.5 A B density [g/cm3] This figure shows the result of muography. The density distribution is projected after smoothing and I adopted the central value of density. The measurement duration was about 80 days. The horizontal axis is azimuth angle. The vertical axis is elevation angle. In this work, we analyzed only the region with a path length of more than 1 kilometer, so we didn’t analyze the gray area. (And another reason is because of a difficulty of evaluating correct amount of muons from open sky.) (In evaluating amount of muons, we integrate the energy spectrum of muons from Cut-off energy to infinity energy. But, in large zenith angle, I don’t know there are data of low-energy muon spectrum. So I couldn’t evaluate.) But you can see there are high- and low- density anomalies.

Discussion Comparison with resistivity Lake Toya Ogawa et al.(1998)により貫入マグマの存在が示唆された位置。有珠新山から南西に300 m。 (NE-SW測線) Ogawa et al.の図を挿入 Oo-Usu SW A B Showa-Shinzan Usu Volcano Then we compared the region of high-density anomaly with resistivity. Usu-Shinzan NE 1977年噴火時にできた断層

Discussion Comparison with resistivity Lake Toya 10000 100 10 1 (Ωm) Usu-Shinzan Altitude (m) Distance (km) 500 250 -250 -1 After Ogawa et al.(1998) NE SW Fault Ogawa et al.(1998)により貫入マグマの存在が示唆された位置。有珠新山から南西に300 m。 (NE-SW測線) Ogawa et al.の図を挿入 SW 10000 100 10 1 (Ωm) Usu-Shinzan Altitude (m) Distance (km) 500 250 -250 -1 After Ogawa et al.(1998) NE SW Fault A Fault zone Usu Volcano According to the previous study of resistivity, the high resistivity region is below Usu-Shinzan Fault projected on NE-SW cross section. It implies intruded magma. And a developed fault zone is here. Assuming that the magma intruded along this fault zone, the high-density anomaly might be the intruded magma. And the low-density anomaly might imply a fault fracture zone because there can be many pores in the zone. NE 1977年噴火時にできた断層

Summary We developed a discrimination method with multilayer muon detector. We obtained a density distribution with a path length of more than 1 km in Usu volcano. We found high- and low-density anomalies beneath between Oo-Usu and Usu-Shinzan We’re planning to apply our new detection system to other active volcanoes (e.g., Shinmoe-dake). This is summary. We developed a discrimination method with multilayer muon detector. We obtained a density distribution with a rock thickness of more than 1 km in Usu volcano. We found high- and low-density anomalies beneath between Oo-Usu and Usu-Shinzan And, in the future, we're planning to apply our new detection system to other active volcanoes, for example Shinmoe-dake. Thank you for your attention.