Study of Cosmogenic 7Be Production in the Atmosphere Using Geant4 Simulations

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 Geant4와 Cosmic Ray Library(CRY)를 결합한 장기 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 대기 중 베릴륨-7($^{7}$Be)의 생성량을 정량적으로 평가하였다. 현실적인 지구물리 조건을 재현하기 위해 국제지자기기준장(IGRF) 모델과 기상청(KMA)에서 제공하는 고도 의존 대기 밀도 프로파일을 시뮬레이션 프레임워크에 반영하였다. 2000--2023년(24년) 기간 동안 총 96회의 월별(Jan, Apr, Jul, Oct) 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과로 얻은 $^{7}$Be 생성량 추정치는 부산 지역 한국원자력안전기술원(KINS) 지역방사선감시소(RRMS)에서 취득한 장기 관측 자료와 비교하였다. 변환된 물리량을 이용하여 시뮬레이션 출력값과 RRMS/KINS 측정값을 비교하였다. 계절별 월별 샘플링 및 생산 전용 모델링에서 나타나는 체계적인 위상 불일치를 설명하기 위해, 경험적으로 결정된 위상 정렬을 적용하였다. 이러한 결과는 제1원리 입자 수송 물리학과 데이터 기반 보정을 결합한 제안된 하이브리드 프레임워크가 필수적인 환경적 영향을 포착하고 예측 능력을 향상시킨다는 것을 보여준다. 본 연구 결과는 환경 방사능 모니터링을 위한 정량적 기반을 제공하고, 우주선-대기 상호작용에 의해 발생하는 우주선 기원 방사성 핵종 생성에 대한 이해를 증진시킨다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we quantitatively evaluated the atmospheric production of beryllium-7 ($^{7}$Be) using long-term Monte Carlo simulations based on Geant4 coupled with the Cosmic Ray Library (CRY). Realistic geophysical conditions were incorporated via the International Geomagnetic Reference Field (IGRF) model and altitude-dependent atmospheric density profiles from the Korea Meteorological Administration (KMA). Simulations were performed for 96 seasonally representative monthly samples (Jan, Apr, Jul, Oct) over 24 years (2000--2023), and the resulting $^{7}$Be production estimates were compared to long-term observational data from the Regional Radiation Monitoring Station (RRMS) of the Korea Institute of Nuclear Safety (KINS) in Busan using a converted simulation-derived quantity. To address the systematic phase mismatch arising from seasonal-month sampling and the model's production-only nature, an empirically determined phase alignment was applied to reconstruct the observed seasonal phase. This correction compensated for atmospheric transport and removal processes not explicitly included in the simulation framework. These results demonstrated that the proposed hybrid framework, combining first-principles particle-transport simulations with data-driven corrections, provided a physically grounded reconstruction of long-term $^{7}$Be variability. This approach provided a quantitative basis for environmental radioactivity monitoring and improved understanding of cosmogenic radionuclide production driven by cosmic-ray--atmosphere interactions.

목차 (Table of Contents)

• I Introduction 1
• II Materials and Methods 7
• II.1 RRMS/KINS data: Sample Collection and Pre-treatment 7
• II.2 Simulation Setup 9
• II.2.1 Geometrical Configuration and Beam Parameters 9
• II.2.2 Physics List and Particle Tracking 17
• II.2.3 Environmental Inputs 18
• II.3 Data Analysis and Validation 18
• IIIResults and Analysis 22
• III.1 Baseline Simulation Outcomes 22
• IV Simulation-to-Observation Conversion and Phase Alignment 24
• IV.1 Conversion to Asim and Comparison with RRMS/KINS 26
• V Conclusion and Outlook 31
• Appendices 38
• Appendix A. About the Simulation 39
• A.1 Geant4 39
• A.1.1 Installation of Geant4 40
• A.1.2 How to Use Geant4 42
• A.2 CRY 44
• A.2.1 Applied Cosmic Ray Library (CRY) 45
• B Cosmic Ray 48
• B.1 Definition of Cosmic Ray 48
• B.2 About Solar Modulation 48
• B.3 Air Showers in the Atmosphere 49
• B.4 About 7Be 49
• Acknowledgements 50