[論文レビュー] Effects of the South Atlantic Anomaly on the muon flux at sea level

C. R. A. Augusto, J. B. S. d’Olival+2 more|ArXiv.org|May 20, 2008

Ionosphere and magnetosphere dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ブラジル（22°S, 43°W）に設置された2台の方向性ミューオン望遠鏡を用いて、南大西洋異常（SAA）が海面におけるミューオンフラックスをどのように増幅させるかを調査している。SAAにおける磁場の弱体化により、高エネルギーの宇宙線および太陽粒子がより強く貫通し、日中の間にEμ > 0.2 GeVのミューオン強度が最大10倍にまで増加する。これは、前反転電場およびコロターティング・インターラクション領域やマイクロフレアを含む太陽の一時的イベントと相関している。

ABSTRACT

The goal of this study is to examine the response and changes of the muon intensity at ground, due to magnetic anomaly over south Atlantic. Based on the data of two directional muon telescopes and located at 22S and 43W. These coordinates are inside of the South Atlantic Anomaly (SAA) region, a dip in the magnetosphere. This characteristic offers to the muon telescopes the lowest rigidity of response to cosmic protons and ions ($\geq 0.4$ GV). The magnetosphere's dip is responsible for several processes, such as the high conductivity of the atmospheric layers due to the precipitation of energetic particles in this region and an zonal electric field known as the pre-reversal electric field (PRE) with an enhancement at evening hours. In addition the open magnetosphere, propitiate the magnetic reconnections of the IMF lines that will take place in this site in the day side. These factors are responsible for an unusually large particle flux present in the SAA region, including particles with energies above the pion production threshold. The main effect is an increase of the muon intensity ($E_μ>0.2GeV$) at ground, in the day side, in up to ten times. We show that it is correlated with the pre-reversal electric field, and propitiate the observation of muon enhancements due to small solar transient events, such as corotating interaction region (CIR) and micro-flares. Details of these results are reported in this paper.

研究の動機と目的

• 磁場遮蔽の低下が原因で生じる南大西洋異常（SAA）が、海面におけるミューオンフラックスに与える影響を調査すること。
• SAA地域におけるミューオン強度の変動と前反転電場（PRE）との相関を分析すること。
• コロターティング・インターラクション領域（CIRs）やマイクロフレアを含む太陽の一時的イベントに関連するミューオン増加を検出および特徴付けること。
• SAAが、ガンマ線バーストのトリガーを含む高エネルギー粒子イベントの地上観測を可能にする役割を調査すること。
• 将来的なTupi実験の拡張を支援し、GeV〜TeVガンマ線バーストおよび太陽の瞬時現象の検出を強化すること。

提案手法

• SAA内に位置する22°S, 43°Wに、Eμ > 0.2 GeVのミューオンを検出可能なプラスチックシンチレーターを用いた2台の方向性ミューオン望遠鏡を設置した。
• 有効受光面積65.6 cm² srの望遠鏡を用い、1台は垂直、もう1台は垂直に対して45°傾けて設置し、方向性ミューオン強度を測定した。
• イオン層の電導度勾配から導出された前反転電場（PRE）と、時間分解能1時間のミューオン強度変動を相関させた。
• Swift-BATおよびMILAGROの宇宙ベースのトリガーと比較し、SAA通過時におけるミューオン率の増加を分析した。
• ACEリアルタイムソーラーヵィンド（RTSW）およびGCNレポートのデータを用いて、CIRsやマイクロフレアを含む太陽の瞬時現象中のミューオンフラックスを分析した。
• 地磁気場モデルおよびISO強度線を用いてSAA領域を定義し、望遠鏡の設置位置が異常内にあることを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 南大西洋異常（SAA）は、特に強度と時間的変動の観点から、海面におけるミューオン強度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 SAA地域における前反転電場（PRE）の時間的変動と、ミューオン強度の時間的変動との間に測定可能な相関があるか？
• RQ3 地上のミューオン望遠鏡は、コロターティング・インターラクション領域（CIRs）やマイクロフレアを含む太陽の一時的イベントに起因する増加を検出できるか？
• RQ4 SAAは、Swift-BATやMILAGROで検出された高エネルギー粒子イベントの観測を可能にする役割を果たしているか？
• RQ5 季節的変動は、SAA地域におけるミューオンフラックス増加の発生および持続時間にどのように影響するか？

主な発見

• SAA地域では、日中の間に高エネルギー宇宙線の貫通が増加するため、Eμ > 0.2 GeVのミューオン強度が最大10倍にまで増加する。
• ミューオンフラックス増加は、日の出のおよそ3時間後に開始され、日の入りの1時間後に終了するが、季節的変調の影響を受ける。
• 時間分解能1時間の前反転電場（PRE）の変動とミューオン強度の変動との間に明確な相関が観測され、特に「日没増加」の特徴が確認された。
• ミューオン増加は、Swift衛星がSAA領域に入っていた時期に発生したSwift-BATトリガーと時間的に一致しており、SAA通過中に粒子が降着していることを示している。
• SAAは、太陽活動が低調な時期であっても、コロターティング・インターラクション領域（CIRs）やマイクロフレアに起因するミューオン増加を地上で検出可能にする。
• 2件の地上増加（GLEs）がマイクロフレアと時間的に一致しており、GOES11がX線放射を検出していたことから、フレアの基部が地球-太陽磁場線に一致していた可能性が示唆された。