소식

Jul 03, 2023

지구, 바람, 물: 우주 뮤온이 화산, 사이클론 등을 연구하는 데 어떻게 도움이 되는지

Michael Allen은 화산과 열대 저기압을 더 잘 이해하기 위해 뮤온 단층 촬영을 사용하는 물리학자들과 대화하면서 자연 재해의 깊이를 자세히 설명합니다.

마이클 앨런화산과 열대 저기압에 대해 더 잘 이해하기 위해 뮤온 단층 촬영을 사용하는 물리학자들과 이야기하면서 자연 재해의 깊이를 자세히 살펴봅니다.

과학자와 엔지니어들은 화산과 같은 자연재해로 인한 인명과 재산 피해를 완화하기 위해 더 나은 조기 경보 시스템을 구축하기 위해 항상 노력하고 있습니다. 연구자들이 점점 더 주목하고 있는 기술 중 하나는 여러 면에서 하늘이 내린 기술입니다. 여기에는 뮤온 사용이 포함됩니다. 우주선(주로 초신성 같은 사건에서 발생하는 고에너지 양성자)이 대기에서 15~20km 높이의 원자와 충돌할 때 생성되는 원자 입자입니다.

우리는 지구 대기가 이러한 1차 우주선에 지속적으로 영향을 받고 충돌로 인해 전자, 파이온, 중성미자 및 뮤온을 포함한 2차 입자가 쏟아진다는 것을 알고 있습니다. 실제로 이러한 2차 우주선에서 나오는 무려 10,000뮤온이 매분 지구 표면의 각 평방미터에 쏟아집니다. 이 입자는 전자와 동일한 특성을 갖지만 질량은 약 200배입니다. 이는 전자보다 고체 구조를 통해 훨씬 더 멀리 이동할 수 있음을 의미합니다.

그러나 탐사선으로서 뮤온을 흥미롭게 만드는 것은 뮤온과 통과하는 물질 사이의 상호 작용이 플럭스에 영향을 미치며, 밀도가 높은 물체는 밀도가 낮은 구조보다 더 많은 뮤온을 편향시키고 흡수한다는 것입니다. “무오그래피(muography)”라고 알려진 기술로 화산의 내부 구조를 이미지화하는 데 사용되는 것이 바로 이러한 플럭스의 차이입니다. 이 용어는 도쿄 대학의 다나카 히로유키(Hiroyuki Tanaka)와 그의 동료들이 2007년에 만들어낸 것으로, 그는 이 기술로 화산 내의 공극과 공동을 탐지할 수 있다는 최초의 시연을 제공했습니다(Earth Planet. Sci. Lett.2631~2).

뮤온 단층촬영이라고도 알려진 이 방법은 검출기를 사용하여 뮤온이 통과한 물체의 역밀도 지도를 생성합니다. 더 많은 뮤온이 센서에 닿는 지점은 구조의 밀도가 낮은 영역을 나타내고, 뮤온이 적으면 밀도가 높은 부분을 강조합니다. 다나카와 동료들은 AI 딥러닝 컨볼루션 신경망과 결합된 무오그래피를 사용하여 화산 폭발을 예측하려고 시도하기도 했습니다. 2020년에 그들은 이 기술을 사용하여 세계에서 가장 활동적인 화산 중 하나인 일본 남부의 사쿠라지마 화산(위 참조)을 연구했습니다. 이 화산은 지난 10년 동안 7000번이나 폭발했습니다(Sci. Rep.105272).

프랑스 리옹에 있는 IP2I(Institute of 2 Infinities)의 입자 물리학자인 Jacques Marteau에 따르면 Muography는 방사선 촬영과 매우 유사합니다. “이것은 의료 영상의 X선을 다른 입자, 즉 뮤온으로 대체합니다.”라고 그는 말합니다. "Muography는 기본적으로 X선 이미징과 정확히 동일한 방식으로 물체의 밀도를 스캔하는 이미징 프로세스입니다."

Muography는 X-ray 이미징과 똑같은 방식으로 물체의 밀도를 스캔하는 이미징 프로세스입니다.

여러 가지 다른 장치를 사용하여 뮤온을 탐지할 수 있으며, 그 중 대부분은 CERN의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 입자 물리학 실험의 일부로 개발되었습니다. 그러나 화산 영상을 촬영할 때 가장 일반적으로 사용되는 검출기는 섬광체 층으로 구성됩니다. 뮤온이 검출기를 통과할 때 각 층은 입자의 들어오는 궤적을 재구성하는 데 함께 사용할 수 있는 빛의 섬광을 생성합니다. 탐지기는 화산의 낮은 경사면에 배치되며 화산을 통과하는 뮤온을 탐지할 수 있도록 기울어져 있습니다.

그러나 무오그래피는 화산의 내부 구조를 이미지화하는 데만 사용된 것은 아닙니다. 연구원들은 또한 이 기술을 사용하여 마그마 상승과 관련된 화산 내 밀도 변화뿐만 아니라 마그마 모양, 열수 활동 및 공동과 도관의 압력 변화도 감지했습니다.

이탈리아 로마에 있는 국립 지구물리학 및 화산학 연구소의 연구 책임자인 Giovanni Macedonio는 화산을 연구하고 모니터링하는 데는 세 가지 주요 기술이 있다고 설명합니다. 하나는 지진 데이터를 이용하는 것이다. 또 하나는 위성을 이용해 지면의 변형을 측정하는 것이고, 세 번째는 화산 유체의 지구화학을 분석하는 것입니다.