[論文レビュー] Observation of the Forbush decrease on 2024 May 10, using the ALPAQUITA air-shower array at the 70-1000 GV rigidity range

M. Anzorena, E. De la Fuente+50 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2026

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 0

ひとこと要約

この研究は、ALPAQUITA (Any1 および Any2 カウントモード) によって検出された2024年5月10日のフォーブッシュ減少を報告します。Any1 は中間剛性76 GV で4.26%の減少を示し、Any2 は960 GV で2シグマ上限0.95%を設定しており、高剛性領域でのスペクトルが硬い→軟いへと変化する挙動を示唆します。

ABSTRACT

The Andes Large area PArticle detector for Cosmic ray and Astronomy (ALPACA) is a new air-shower array experiment under construction in the Bolivian Andes, and its prototype ALPAQUITA surface array has been operating since 2023 April. In addition to the traditional $\ge$3-hit or $\ge$4-hit coincidences to trigger recording air-shower events, ALPAQUITA records the counting rates of the $\ge$1-hit and $\ge$2-hit events (Any1 and Any2, respectively). We report a successful detection of a Forbush decrease occurred on 2024 May 10 caused by a passage of an interplanetary shock formed ahead of the Interplanetary Coronal Mass Ejection. The amplitude detected in the Any1 rate is 4.26$\pm$0.33% at the median primary rigidity of 76GV which is consistent with the observations with the worldwide neutron monitor and muon detector networks. Under the assumption of a power-law rigidity spectrum, we renormalized the errors of the observed amplitude ($A_{obs}$) and fitted them as a function of the median primary rigidity ($R_{m}$) of each detector and observational method. The result $A_{obs} = (10.9\% \pm 0.9\%) \times (R_{m}/10\,GV)^{-0.55 \pm 0.07}$ exhibits a hard nature of this event. Our non-detection in the Any2 rate decrease constrains the amplitude with a 2$σ$ upper limit to be 0.95% at 960GV. This marginally suggests an existence of a spectral softening between 100GV and 1000GV as also suggested by the Misato underground muon detector at 145GV. Although a strong geomagnetic storm was observed during this period, we conclude it does not impact our results. Our novel technique realizes a unique coverage to study the behavior of the Forbush decreases at the highest rigidity.

研究の動機と目的

• 高い宇宙線剛性（100 GV 超）におけるFDの研究動機付け。
• Any1/Any2 を用いた ALPAQUITA のカウントモード能力を示し、より高い剛性へアクセス。
• FD 振幅の剰度依存性を特徴づけ、NM およびμ子検出器ネットワークと比較。

提案手法

• ALPAQUITA 地表観測陣（97 カウンター、18,450 m^2）を標高4740 m で動作させ、Any1（単一カウント率）と Any2（2ヒット同時検出）を、従来の3/4ヒット空気シャワートリガー（Any3/Any4）とともに記録。
• モンテカルロシミュレーション（CORSIKA with FLUKA and QGSJET II-04；GEANT4 に基づく検出器応答）を用いてカウントモードの剛性を対応付け：Any1 ≈ 76 GV、Any2 ≈ 960 GV、Any3 ≈ 2290 GV、Any4 ≈ 3340 GV。
• 大気圧効果を現地係数で補正し、Any2 の偶発 coincidences を補正。
• FD 振幅を FD 前の基準レベル（5月8–9日から定義）と比較して推定し、不確かさを計算。
• 観測された振幅と中央値剛性の関係を累積的に、パワーロー A_obs ∝ (R_m / 10 GV)^(-γ) でフィットし、既存の NM/GMDN/Misato データの文脈で議論。

Figure 1: Pressure corrected time profiles of the NM (black curves) and GMDN (red curves) relative counting rate during the FD started at around 17 UT, May 10.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央値原始剛性が70-1000 GVの範囲で FD 振幅はどうなるか。
• RQ2 ALPAQUITA Any2 は100 GV を超える高剛性 FD の挙動を制約できるか。
• RQ3 2024年5月10日の FD に対して ALPAQUITA データは NM および μ検出器結果とどう比較されるか。
• RQ4 高剛性で FD 振幅のスペクトルが軟化する証拠はあるか。
• RQ5 高剛性 FD 測定に影響する地磁気・異方性の考慮点は何か。

主な発見

Instrument	Station Name	Detector area (m^2)	Altitude (m)	Median primary rigidity (GV)	Counts per hour	Observed amplitude (%)
NM	Jungfraujoch	3.71	3475	13.5	11.7	8.04 ± 0.47
NM	Oulu	11.14	15	14.9	3.6	10.85 ± 0.56
NM	Kiel	22.27	54	15.2	5.6	10.77 ± 0.59
NM	Newark	11.14	50	15.3	3.2	10.13 ± 0.51
NM	AATB	22.27	3340	17.1	45.8	7.46 ± 0.43
NM	Rome	24.75	0	19.5	4.4	6.35 ± 0.49
NM	Mexico City	7.42	2274	20.4	7.9	7.19 ± 0.31
NM	CALMA	18.56	708	20.4	2.5	6.39 ± 0.49
NM	PSNM	22.27	2565	34.6	22.0	3.90 ± 0.31
GMDN	Hobart	16	65	53.1	14.6	4.89 ± 0.30
GMDN	São Martinho	28	488	54.3	23.6	5.15 ± 0.38
GMDN	Showa	2	29	54.3	2.4	5.01 ± 0.32
NM	Nagoya	36	77	58.4	29.1	4.69 ± 0.40
NM	Kuwait	25	19	61.2	22.7	3.96 ± 0.47
Misato MD	Misato	16	735	145.0	2.7	1.94 ± 0.22
ALPAQUITA Any1	Any1	–	4740	76.0	2772	4.26 ± 0.33
ALPAQUITA Any2	Any2	–	4740	960.0	169	< 0.95 (2 σ UL)

• Any1 は中央値 76 GV で FD 振幅 4.26% ± 0.33% を検出。
• Any2 は有意な FD 減少を示さず、960 GV で2σ上限 0.95%。
• 多様な検出器を横断するパワーロー適合により、A_obs = (10.9% ± 0.9%) × (R_m / 10 GV)^(-0.55 ± 0.07) が得られる。
• Any2 の上限は 100 GV–1000 GV の間でスペクトルの軟化をほのかに示唆しており、Misato 検出器の示唆と一致。
• 地磁気嵐の影響は評価され、結論には影響がないと判断。
• ALPAQUITA の Any2 モードは FD 研究に対して高剛性領域を独自にカバーし、将来の高密度/セグメント化構成を促進。

Figure 2: Layout of the ALPAQUITA surface array. Each square represents a 1 m 2 scintillating counter.