MUon RAdiographY (MU-RAY)of volcanoes and the “challenge” at

Mt. Vesuvius

P. StrolinFerrara, 15 settembre 2008

G.B. Lusieri, ~1780

Radiografia di vulcani con µ da raggi cosmici

• Misura assorbimento differenziato(come per raggi X)

• Idea radiografia muonica non nuova:- 1955: Georg (misura spessore strati di

neve)- 1970: Alvarez (ricerca di camere funebri

nella piramide di Chefren)

• Dal 2003: indagine della strutturainterna dell’ “edificio” di vulcanimediante µ quasi orizzontali:

→ alta risoluzione spaziale (decine di m) → bellissimi risultati (Tanaka et al., Nature)→ predizione modalità eruzioni, ….. … monitoraggio in tempo (quasi) reale

• Grande interesse per Vesuvio, .…Stromboli, … altri vulcani:→ Collaborazione internazionale

Radiografia muonica della zonasotto il fondo della caldera del

M. Asama (Giappone)

Si noti una zona ad alta densità(lava solidificata) e una cavità

sottostante

Main features of Mt. Vesuvius

- Active (now quiescent) volcano, 1280 m high

- Grown in the caldera of an older, larger volcano (Mt. Somma)

- Muon radiography is a “challenge”, due to its morphology :Mt. Somma, secondary cones (Colle Umberto)

“Plinyan” and sub-Plinyaneruptions

…. 79 (Pompeii), …. 1631, … 1906, …. 1944 …. ?

1631

1906

1944

Status and recent history

But look at (relatively) recent history !

At present, the monitoring systemdoes not give signs of notable activity

Morphological evolution1630-1944

The highest volcanic risk in Europe:about 600,000 people live in the “red zone”

around Mt. Vesuvius or on its slopes

2 km

Stromboli

Altezza 930 m s.l.m., attivitàvulcanica ordinaria a 750 m

Attività “stromboliana”: esplosioniintermittenti dovute ad accumulodi gas, condotto essenzialmenteaperto

Rara e modesta attività effusivaIl segnale dovuto all’attivitàesplosiva e il tremore vulcanicohanno origine a piccola profondità,a circa 200 m al di sottodell'area craterica.

2007

Grande interesse per radiografia

Workshop MU-RAYNapoli 11-12 settembre

• Programma:– Radiografia con neutrini e muoni (con proceedings su

Earth and Planetary Sciences)– Aspetti specifici del progetto MU-RAY

• Partecipazione di ∼30 fisici e vulcanologi daItalia, Giappone, Francia, Spagna e USA

• Definite le linee guida del progetto MU-RAY• Prese le decisioni operative per iniziarne la

realizzazione

Linee guida del progetto MU-RAY• Fattibilità dimostrata da osservazioni in Giappone• Obbiettivo di MU-RAY: radiografia ad alta

risoluzione in 3D con accesso a zone profonde:(importanti passi in avanti)

• Coll. Internazionale, Vesuvio come progetto pilota• Sviluppare telescopio adattabile ad altri vulcani

(Stromboli, … Antille … Giappone …) e con capacitàdi “zoom”

• Uso di scintillatori con tecnologie collaudate• Iniziare subito, in parallelo:

– Progetto e realizzazione dei (3) telescopi MU-RAY– Prime misure sul campo con telescopio giapponese: area

1m2, basse accettanza e risoluzione angolari

Simulazione

Serve per:•ottimizzare il progetto e la collocazione dei telescopi inrelazione a flusso di muoni•Stimare la sensibilità a strutture interne•Mettere a punto i metodi e le esigenze dell’analisi inversaper la ricostruzione in 3D (almeno 3 telescopi)

Estimate of muon rate and of sensitivityto internal structures:a geometrical model

θ

µ detector

structurediameter Φ

volcanoedifice

500 m

250

m25

0 m 50

0 m

Estimate of muon rate and of sensitivity: physics input

Part. Data Gr.

Absorption

Decay

srGeVscmEE

EddEdtdS

dN

2

00

7.2

0

#

cos850

1.11

054.0

cos115

1.11

114.0

!!!

"

#

$$$

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+

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213213

00103;105.2 cmgbcmgGeVawhereLaE

b

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11

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cos92

11

9.015.0

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(

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Adair & Kasha, 1976

Atmospheric µ flux

GeVinE0

070<!

GeVE 1000>

Estimate of µ rate and of sensitivity: rates and required detector area x time

Φ of structure [m] 20ρ = 0

50Δρ/ρ0 = 0.1

Rate N through structure [m-2 day-1](ρ0 = 2.2 g cm-3, Eµ > 0.5 GeV)

2.5 16

ΔN/N by structure 0.09 0.02

Events for 3 σ detection of structure 1,150 20,000

Detector area x time [m2 month] 15 40

~10 m2 required for a few months data taking

Full simulation (in progress)

Similarity withEarth radiography by neutrinosν ↔ µ Earth ↔ volcano

Methods and codes have been developed:first applied to Earth radiography (Miele and coll.),

now being applied to Mt. Vesuvius

ν

µ

Digital Elevation Map (DEM)of Mt. Vesuvius

Step 1: generate atmospheric muons

• 3D Digital Elevation Map

• Tracks intercepting the detector generated and

projected backward

• Along their directions,muons generated accordingto the known spectrum

(from PDG)

enteringµ tracks

3D digital map

detector

structure

Input to full simulation of µ reaching thedetector through Vesuvius

Step 2: full simulation of µ reaching thedetector through Mt.Vesuvius

• Simulation of the geometry and µ tracking done withGEANT4 (Geometry ANd Tracking tool)

• “Experimental apparatus” defined as Vesuvius + detector

• The longitudinal dimension of the apparatus is the lengthof rock intercepted by the track (from the previous step)

• The experimental apparatus can consist of zones withdifferent densities, allowing to simulate structures insideVesuvius

• The rock initial density will be taken to be 2.2 g/cm3

In progress

Multiple Scattering: Monte Carlo(risultati preliminari)

Dati in ingresso• Energia fissa o spettro• 1-2 Km di roccia

• ρ = 2.6 g/cm3 (alta)

Diffusione Multiplaσ ∼ 15 mrad

Risultati analoghi dai giapponesi

Intenso lavoro in corso

Observation at Mt.Asama

ScintillatorsResolution 66 mradNIM A507 (2003) 657

EmulsionsResolution < 10 mrad

EPS Lett. 263 (2007) 104

Angular resolution is important

Progetto dei telescopi MU-RAY

Dagli attuali telescopi a MU-RAY

• Area: x 10• Buona risoluzione spaziale e piani a distanza ravvicinata: massimaaccettanza angolare

• Risoluzione angolare ∼10 mrad e misure in tempo (quasi) reale• Operatività in ambiente vulcanico: minima manutenzione, bassapotenza, trasportabilità, …..

⇓

Strips di scintillatori con risoluzione spaziale

• Area: ~ 1 m2

→ osservazioni a bassa profondità (es. 50-100 m sotto fondo caldera del Mt. Asama) a causa di assorbimento nella roccia e riduzione flusso di µ• Tecniche di rivelazione

– Scintillatori (8-10 cm larghezza): modesta risoluzione (∼40 mrad)– Emulsioni: alta risoluzione, ma misure laboriose e non in tempo reale

Att

uali

telesc

opi

The MINERvA Inner Detector scintillators

• The triangular shape offers advantages:– No gaps between strips– Continuous position determination by weighted average of the

signals from two strips: no pixel effects– Good spatial resolution (~3 mm) → 10 mrad angular resolution with “short” lever arm (~ 0.5 m)

• Wave Length Shifting Fibre in a hole created in extrusion• Strips with co-extruded coating: easier to assemble

3.3 cm

WLS fibre

The MU-RAY muon telescope(MINERvA scintillators, PMTs, OPERA electronics and DAQ)

• Each plane 64 x 2 scintillators(total width ~2.1 m)

• Two x-y doublets• Total 512 scintillators• Read-out on one side: 512 channels• Multianode PMTs as in OPERA but

with clear fibres• Electronics and DAQ: evolution

from OPERA• Angular resolution ~ 3mm x √ 2 /

(0.5m distance) ≈ 10 mrad

The telescope must be housed in a barrack, hence to achieve a largerarea, use more telescopes

2.1m

2.1m

x y x y

32x2 ch↓64ch PMT

Procurement of scintillators

• Various large experiments are using scintillator stripsin the USA: MINOS, MINERvA, ….

• FNAL-NICADD have set-up an “industrial” extrusionfacility:

see A. Bross, Advanced Extruded Scintillator R&D,www.fnal.gov/directorate/ANL-FNAL-Collaboration/files/2008-06-27-ANL_FNAL_Bross.ppt (2008)

• They accept to produce scintillators for MU-RAY

Programma diricerca

Vesuvio e Asama• I coni sommitali dell’Asama (2560 m) e del Vesuvio (1280 m)

sono simili, anche se la caldera del Vesuvio è più grande

• Si intende fare una prima misura con un telescopio esistente (“1 m2”), in parallelo con lo sviluppo del telescopio

MU-RAY (di grande area)

Mt. Asama

500 m

N

Mt. Vesuvius

Il telescopio da 1m2

• Scintillatori 7.8 cm dilarghezza• Due piani (x-y) a 2 m didistanza (per ovviare a poverarisoluzione spaziale e ottenere unarisoluzione angolare di ∼ 40 mrad*)• Attualmente in misura all’isolaSatsuma Iwo-jima

Disponibile a inizi 2009 per osservazioni a bassaprofondità (50-100 m) sotto il fondo della caldera del

Grande Cono del VesuvioI collaboratori francesi stanno costruendo un telescopio simile per

prime misure ai vulcani delle Antille

* Tenendo conto di un deterioramento di un fattore ~2.5 per effetti di pixel

Aim for the MU-RAY time-table after theWorkshop (3 telescopes, no time contingency)

Il programma di ricerca

2008-9• Simulazioni: flusso µ in siti tel. 1m2 e MU-RAY• Definizione siti dei telescopi, sensibilità a disomogeneità• Installazione e prime osservazioni con telescopio 1m2: risultati

geofisica, messa a punto metodologia, validazione simulazione, ….• Costruzione e prove di un piano del telescopio MU-RAY

2010• Possibile continuazione presa dati con telescopio 1m2

• Costruzione e inizio presa dati con il primo telescopio MU-RAY• Costruzione degli altri telescopi MU-RAY

• 2011• Inizio presa dati con i telescopi MU-RAY per osservazioni in 3D

Collaborazione erichieste finanziarie

The Collaboration

F. Beauducel1, S. Buontempo2, L. D’Auria3, Y. Déclais6, G. DeLellis,2,4, G. Festa4, P. Gasparini4,5, D. Gibert1, G. Iacobucci2, N.Lesparre1, A. Marotta2, J. Marteau6, M. Martini3, G. Miele2,4, P.Migliozzi2, C.A. Moura2, O. Pisanti2,4, S. Pastor7, R. Peluso3, G.Scarpato3, G. Sekhniaidze2, P. Strolin2,4, H. Taira8, M. Tanaka9,H.K.M. Tanaka8, A. Tarantola1, T. Uchida10, M. Vassallo2,5, I.

Yokoyama11 and A. Zollo4

1 Institut de Physique du Globe, Paris2 Sezione di Napoli, INFN3 Osservatorio Vesuviano, INGV4 Università di Napoli “Federico II”5 Consorzio Analisi e Monitoraggio Rischi Ambientali (AMRA), Napoli6 Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL)7 Instituto de Física Corpuscular (CSIC-Universitat de València)8 Earthquake Research Institute (ERI), University of Tokyo9 Institute of Particle and Nuclear Studies, KEK, Japan10 Department of Physics, University of Tokyo11 Usu Volcano Laboratory, Hokkaido University

- INFN (Napoli): simulazioni Monte Carlo; messa in opera e operazionedel telescopio 1m2; progetto, costruzione, messa in opera e operazionedei telescopi MU-RAY; analisi dati.

- Osservatorio Vesuviano: logistica, in collaborazione con Ente Parco;trasmissione e analisi dati; analisi dati e connessione con risultatiottenuti con tecniche geofisiche.

- Vulcanologi dell'Università Federico II e del Consorzio AMRA: analisidati e connessione con risultati ottenuti con tecniche geofisiche.

- Gruppi giapponesi: messa a disposizione e contributo a installazione emessa in opera del telescopio 1m2; collaborazione alla progettazione erealizzazione dei telescopi MU-RAY; analisi dati.

- Gruppi francesi: progettazione e realizzazione elettronica e DAQ deitelescopi MU-RAY; analisi dati.

- IFIC Valencia: contributo a simulazioni Monte Carlo.

Suddivisione dei compiti prevista

Richieste finanziarie e di supporto tecnico

2009

M.I. Inst. telescopio 1m2; contatti per prototipi tel. “grande area” 10M.E. Contatti con coll. Giappone e Europa e per prod. scintillatori 5Consumo Inst. telescopio 1m2; prototipi tel. grande area 17 (3+14)Trasporti Telescopio 1m2 da Giappone; trasporti a Vesuvio 8Apparati Meccanica prototipi tel. grande area 5Totale 45

Officina Meccanica 4 m.u.Progettazione 2 m.u.Elettronica 3 m.u.

Profilo temporale

M.I. M.E. Cons. Trasp. App. Totale2009 10 5 17 8 5 452010 10 5 10 45 702011 8 5 10 5 28Totale 143

Conclusioni

• Attività multidisciplinare di largo interesse anche al difuori degli ambienti scientifici• Grande aspettativa e forte coinvolgimento dei vulcanologi

• Collaborazione internazionale con forte motivazione espinta a fare

• Dopo il Giappone, prime misure in programma al Vesuvio ealle Antille con telescopi di basse prestazioni

• L’ambiente internazionale spinge a realizzare in tempistretti i telescopi MU-RAY

• L’INFN può avere un ruolo di grande rilievo

INFN-Napoli (2009)

S. Buontempo Dir. Ric. Gr. II 20%C. De Moura Post Doc INFN Gr. IV 10%G. Iacobucci Primo Ric. Gr. I 20%G. Miele Prof. Ass. Gr. IV 10%O. Pisanti Ric. Gr. IV 10%P. Strolin (resp. naz. e locale) Prof. Ordinario Gr. II 50%M. Vassallo Ass. Ric. AMRA Gr. V 30%…… Ass. Ric. Univ. Gr. V 100%

Totale 2.5 FTE

Cost estimate of one muon telescope

• Triangular scintillators (~80 kg/plane) 3• Fibre system (as in OPERA) 3• Multianode PMTs (8 ) 16• Assembly 20?• Electronics and DAQ (~7 euro/ch) 4• Mechanics 10?• Barrack 10?• Infrastructure (el. supply, data transm. …) 22

TOTAL 88 keuro

For 3D imaging at least 3 telescopes