Soil water measurements with cosmic-ray showers for better correction of gravity data at active volcanoes

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K14810
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 西山 竜一 東京大学, 地震研究所, 助教 (10835101)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 宇宙線 / 土壌水分 / 地下水 / 火山 / 重力

Outline of Annual Research Achievements

宇宙線電磁成分の観測を行うことで，土壌水分量を測定する技術の確立を目指している．この方法が確立されると，重力データや傾斜計データに見られる土壌水分量の変動に伴うしシグナルの補正が行えるようになる． 2019年度には，坑道内で測定された宇宙線電磁成分の強度が，降雨量に応じてわずかに減少することが確認されていた．二年目である2020年度は，一年目に確認された電磁成分イベントの減少が本当に土壌水分量の変動に起因するものであるかどうかを理解するために，多角的な検証に取り組んだ．具体的には（１）水槽試験による較正曲線の取得と（２）モンテカルロ・シミュレーションによる較正曲線の再現，の二点に取り組んだ．
（１）実験室内で水槽を用いた較正実験を行った．宇宙線検出器の上に巨大な水槽を設置し，その水位を変えながら，検出器のカウント数がどのように推移するか調べた．その結果，水槽の水位が1cm増加すると，電磁成分イベントのカウント数が0.6－0.7％減少することを確認した．（２）次に，この傾向をモンテカルロ・シミュレーションで再現することを試みた．具体的には，問題を（Ａ）一次宇宙線の大気への入射から二次宇宙線の生成と大気中の伝播までの計算（Cosmos-Xを用いて実現）と，（Ｂ）水槽中の水との相互作用や検出器応答の計算（Geant4を用いて実現）の二段階に分けるアプローチをとった．その結果，シミュレーションによって，水位の変化に伴う電磁成分イベントのカウント数の変動を説明することに成功した．さらに副産物として，カウント数は水位のみならず大気圧にも依存することが，シミュレーションから確認された．また，大気の気温勾配を変動させてもカウント数は変わらないことが確認された．これらの成果を現在，論文にまとめており，2021年度に発表する予定である．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2020年度は較正曲線の取得や，シミュレーション手法の開発に大きな進展があった．しかし， 2019年度までに観測された降水起源の電磁成分の減少量は極めて小さかったため，別地点に移設することを予定していたが，それは諸般の事情により実行できなかった．

Strategy for Future Research Activity

これまでの有村観測坑道での観測，水槽試験，モンテカルロ・シミュレーションの結果を学術論文としてまとめる．ただし，有村観測坑道で観測された減少量は極めて小さく，リアルタイムで土壌水分量を捕捉することは不可能であることが分かっている．そこで，より土被りが分厚い別の坑道に検出器を移して，さらなる原理実証試験を開始する（2021年4月～）．1年間の観測を行い，結果を有村観測坑道のものと比較する．また，前述のシミュレーションでは，電磁成分イベントのカウント数は大気の気温勾配（天候）の変動には依存しないことが確認できたが，大気中に含まれる水蒸気量が及ぼす影響を十分に考慮しきれていない．「研究実績の概要」で述べた（A）のシミュレーションに初期条件として与える大気モデルを様々に変え，大気中水蒸気量の効果を定量的に見積もることで，本技術（宇宙線電磁成分測定による土壌水分量の測定）の妥当性を定量的に吟味する．

Causes of Carryover

2020年度に宇宙線検出器の移設作業を計画していたが，新型コロナウイルス蔓延に伴う緊急事態宣言の発令等に伴い，出張予定を2回延期することを余儀なくされた．予定していた移設作業は，2021年4月に行い（報告書作成2021年5月時点で完了），その後数回のメンテナンス作業のための現地出張を行う予定である．