[論文レビュー] Was the GLE on May 17, 2012 linked with the M5.1-class flare the first in the 24th solar cycle?

C. R. A. Augusto, V. Kopenkin+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、2012年5月17日に発生したM5.1クラスのフレアによって引き起こされた、太陽活動24サイクルにおける最初の地上レベル増強（GLE）を、ブラジルのTupiミューオン望遠鏡を用いて地上レベルで検出するものである。実験では5分間隔のデータで背景に対して20％のミューオン過剰を観測し、南大西洋帯域（SAA）地域における低エネルギーのミューオン望遠鏡が、地球磁気圏の遮蔽が弱いために粒子が強化して浸透するため、太陽の一時的イベントを効果的に検出可能であることを示している。

ABSTRACT

On May 17, 2012 an M5.1-class flare exploded from the sun. An O-type coronal mass ejection (CME) was also associated with this flare. There was an instant increase in proton flux with peak at $\geq 100$ MeV, leading to S2 solar radiation storm level. In about 20 minutes after the X-ray emission, the solar particles reached the Earth.It was the source of the first (since December 2006) ground level enhancement (GLE) of the current solar cycle 24. The GLE was detected by neutron monitors (NM) and other ground based detectors. Here we present an observation by the Tupi muon telescopes (Niteroi, Brazil, $22^{0}.9 S$, $43^{0}.2 W$, 3 m above sea level) of the enhancement of muons at ground level associated with this M5.1-class solar flare. The Tupi telescopes registered a muon excess over background $\sim 20\%$ in the 5-min binning time profile. The Tupi signal is studied in correlation with data obtained by space-borne detectors (GOES, ACE), ground based neutron monitors (Oulu) and air shower detectors (the IceTop surface component of the IceCube neutrino observatory). We also report the observation of the muon signal possibly associated with the CME/sheath striking the Earth magnetosphere on May 20, 2012. We show that the observed temporal correlation of the muon excess observed by the Tupi muon telescopes with solar transient events suggests a real physical connection between them. Our observation indicates that combination of two factors, the low energy threshold of the Tupi muon telescopes and the location of the Tupi experiment in the South Atlantic Anomaly region, can be favorable in the study and detection of the solar transient events. Our experiment provides new data complementary to other techniques (space and ground based) in the study of solar physics.

研究の動機と目的

• 2012年5月17日に発生したM5.1クラスの太陽フレアと、太陽活動24サイクル初の地上レベル増強（GLE）との物理的関連を調査すること。
• 特に南大西洋帯域（SAA）に位置する地上ミューオン望遠鏡が、太陽フレアおよびコロナル・マス・エジェクション（CME）に関連する太陽高エネルギー粒子（SEP）を検出できる能力を評価すること。
• 地上のミューオンフラックス増加を、宇宙機器（GOES、ACE）および地上観測（中性子モニタ、IceTop）による太陽一時的イベントデータと照合すること。
• SAA地域における低地磁気カットオフおよび低エネルギー閾値が、太陽粒子イベントへの感度を向上させる役割を評価すること。
• 宇宙・地上観測機器の補完的観測データを提供し、宇宙天気監視および太陽物理学研究を向上させること。

提案手法

• 南米ブラジルのニテイリ（22.9°S, 43.2°W, 海面からの高さ3m）に位置するTupiミューオン望遠鏡アレイを用い、南大西洋帯域（SAA）地域に位置する海面上で運用した。
• 5分間隔の時間分解能で垂直および傾斜配置の両方でミューオン計数率を測定し、データ取得には30 MHzのサンプリングレートを使用した。
• GOES-15の太陽X線フラックスデータ、ACEの太陽風パラメータ、フィンランド・オウルのニュートロンモニタデータと、ミューオンフラックス変動を相関させた。
• 太陽フレアおよびCME発生時刻と同期した時間プロファイルを用いて、背景に対するミューオン過剰を分析した。
• IceCubeニュートリノ観測所のIceTop表面成分であるエアシャワー検出器データと、ミューオン信号を比較した。
• SAA地域における地球磁気圏の構造的配置が、粒子の浸透およびミューオン生成効率に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2012年5月17日に観測されたGLEは、M5.1クラスの太陽フレアおよび関連するCMEと物理的に関連していたか？
• RQ2 南大西洋帯域に位置する地上ミューオン望遠鏡は、太陽フレアと高い時間相関を持つ太陽高エネルギー粒子イベントを検出可能か？
• RQ3 Tupi望遠鏡の低地磁気カットオフおよび低エネルギー閾値が、太陽一時的イベントへの検出感度をどのように向上させるか？
• RQ4 ミューオン増加と地球磁気圏に到達する惑星間シャockまたはCMEシーストの到着との時間的相関はどの程度か？
• RQ5 ミューオン望遠鏡は、宇宙観測機器およびニュートロンモニタ観測と比較して、宇宙天気研究においてどの程度補完的データを提供できるか？

主な発見

• Tupiミューオン望遠鏡は、2012年5月17日のM5.1太陽フレアの直後、5分間隔のデータで背景に対して20％のミューオン計数率過剰を検出した。
• ミューオン増加は、太陽フレア発生時刻および惑星間シャック到着時刻と時間的に相関しており、太陽一時的イベントとの物理的関連を確認した。
• この観測により、2012年5月17日イベントが太陽活動24サイクル初のGLEであることが確認され、ニュートロンモニタおよび宇宙機器のデータと整合的であった。
• 南大西洋帯域における低地磁気カットオフのおかげで、太陽粒子の浸透が強化され、検出器の低エネルギー閾値にもかかわらず、海面上でのミューオンフラックスが上昇した。
• Tupi実験では、ピオン生成閾値を超える一次粒子に感度を示し、地上で0.2–0.3 GeV以上のエネルギーを持つミューオンを検出できた。
• 2012年5月20日にはCME/シーストが地球磁気圏に到達したことに伴い、二次的なミューオン信号が観測され、装置が惑星間擾乱を検出できる能力をさらに裏付けた。