휴대용 뮤온 검출기로 본 중간대기 동역학

초록

스위스 몽테리 지하 실험실에서 1년간 수집한 휴대용 뮤온 검출기 데이터를 분석한 결과, 중간대기 온도 변화와 뮤온 계수율 사이에 강한 상관관계가 확인되었다. 계절적 온도 변동뿐 아니라 2017년 초의 급격한 급류성 성층권 온난화(SSW)까지 뮤온 비율이 민감하게 반응했으며, 실험에서 얻은 유효 온도 계수 α_T는 기존 대형 입자 실험과 이론값과 일치하였다.

상세 분석

본 연구는 700 m w.e. 정도의 투과율(opacity)을 가진 스위스 몽테리 지하 암석실험실에 휴대용 뮤온 검출기(3중 플라스틱 섬광체 매트릭스, 16 × 16 픽셀, 5 × 5 cm²) 를 설치하고 382일에 걸쳐 연속 측정한 데이터를 기반으로 한다. 검출기는 3개의 매트릭스를 1 m 간격으로 배치해 1 ns 이하의 시간 동시성을 확보하고, 3개의 히트가 일치할 경우에만 유효 이벤트로 기록한다. 방향 재구성을 통해 961개의 관측축을 정의하고, 각 축에 대한 투과 암석 두께(200–500 m)와 평균 투과율(≈700 ± 160 m w.e.)을 산출하였다.

뮤온 계수율 R은 30일 폭의 해밍 이동 평균으로 평활화했으며, 모든 관측축의 데이터를 합산해 통계적 신호‑대‑노이즈 비율을 향상시켰다. 온도 의존성을 정량화하기 위해 대기 깊이 X에 대한 온도 프로파일 T(X)와 가중함수 W(X)를 이용해 유효 온도 T_eff 를 계산하였다. 특히, 각 천정각(θ)별 임계 에너지 E_th 를 고려해 가중 평균 T_weighted_eff 를 구함으로써 실험 설정에 특화된 T_eff 를 일일 4회 측정, 평균화하였다.

선형 관계 ΔR/R = α_T · ΔT_eff/T_eff 를 가정하고, 피어슨 상관계수 r과 Monte‑Carlo 기반 회귀 분석을 수행해 α_T 를 추정하였다. 통계적 불확실성 외에도 W(X)와 입력 파라미터(대기 모델, 입자 스펙트럼 등)의 변동을 반영한 체계적 오차를 제곱합으로 추가하였다. 결과적으로 α_T = 0.92 ± 0.05 (통계 + 체계) 로 도출되었으며, 이는 Gaisser et al. (2016)와 Grashorn et al. (2010)의 이론값(≈0.90) 및 IceCube, Borexino 등 대형 실험에서 보고된 값(0.85–0.95)과 일치한다.

시간적 변동을 살펴보면, 연간 뮤온 비율은 여름에 최대(≈820 d⁻¹), 겨울에 최소(≈780 d⁻¹)로 계절적 패턴을 보였으며, 2017년 1월‑2월에 발생한 급격한 중간대기 온도 상승(SSW)과 동시에 뮤온 비율이 약 1.5 % 상승하였다. 이는 기존 연구에서 대형 검출기로만 보고된 단기 변동을 휴대형 검출기에서도 감지할 수 있음을 입증한다.

지구물리학적 응용 측면에서는, 동일 지역에서 지하수위 변화에 따른 밀도 변동이 뮤온 비율에 미치는 영향이 수십 퍼밀 수준이지만, 온도에 의한 변동이 수백 퍼밀까지 커질 수 있음을 강조한다. 따라서 중위도·중투과율 환경에서 지하수 모니터링을 수행할 경우, 온도 보정 없이 원시 뮤온 시계열을 해석하면 실제 지하 구조 변화를 놓칠 위험이 있다.