[논문 리뷰] Effects of the South Atlantic Anomaly on the muon flux at sea level

C. R. A. Augusto, J. B. S. d’Olival외 2명|ArXiv.org|2008. 05. 20.

Ionosphere and magnetosphere dynamics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 브라질(22°S, 43°W)에 위치한 두 개의 방향성 뮤온 탐지기들을 사용하여 남대서양 이상부(SAA)가 해면 레벨에서 뮤온 플럭스를 어떻게 증가시키는지 조사한다. SAA의 약화된 자기장은 고에너지 간성선과 태양 입자가 더 깊이 침투하도록 허용하며, 이로 인해 낮 동안 뮤온 강도가 최대 10배 증가한다(Eμ > 0.2 GeV), 이는 사전 반전 전기장과 태양 일시적 사건(예: 공전 상호작용 영역과 마이크로 플레어 포함)과 관련이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 감소한 자기 차폐로 인해 SAA가 해면 레벨에서 뮤온 플럭스에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• SAA 지역에서 뮤온 강도 변화와 사전 반전 전기장(PRE) 간의 상관관계를 분석하기 위해.
• 공전 상호작용 영역(CIRs)과 마이크로 플레어와 같은 태양 일시적 사건과 연관된 뮤온 강도 증가를 탐지하고 특성화하기 위해.
• SAA가 고에너지 입자 사건(예: 감마선 폭발 촉발 포함)의 지표면 탐지 가능성을 높이는 데서의 역할을 연구하기 위해.
• 향후 투피 실험의 확장을 지원하여 테바-테르라이온 감마선 폭발과 태양 일시적 사건의 탐지 능력을 향상시키기 위해.

제안 방법

• SAA 내부에 위치한 22°S, 43°W에서 Eμ > 0.2 GeV인 뮤온을 탐지하기 위해 플라스틱 산란체를 사용한 두 대의 방향성 뮤온 탐지기를 설치하였다.
• 65.6 cm² sr의 효과적 입구면적과 함께, 하나는 수직, 다른 하나는 수직으로부터 45° 기울여진 탐지기를 사용하여 뮤온 강도의 방향성을 측정하였다.
• 이온화층 전도도 기울기에서 유도된 사전 반전 전기장(PRE)과 시간당 뮤온 강도 변화를 상관 분석하였다.
• 스위프트-BAT와 밀라그로의 위성 기반 촉발 신호와의 비교를 통해 SAA 통과 기간 동안 뮤온 빈도 증가 현상을 분석하였다.
• ACE 실시간 태양풍(RTSW) 데이터와 GCN 보고서를 활용하여 CIRs와 마이크로 플레어와 같은 태양 일시적 사건 기간 동안의 뮤온 플럭스를 분석하였다.
• 지자기장 모델과 ISO-강도 선을 사용하여 SAA 지역을 정의하고, 탐지기 위치가 이상부 내부에 있음을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 남대서양 이상부(SAA)는 해면 레벨에서 뮤온 강도에 어떤 영향을 미치는가? 특히 크기와 시간적 변화 측면에서 어떻게 되는가?
• RQ2 SAA 지역에서 사전 반전 전기장(PRE)의 시간당 변화와 뮤온 강도의 시간당 변화 사이에 측정 가능한 상관관계가 존재하는가?
• RQ3 지표면 기반 뮤온 탐지기가 공전 상호작용 영역(CIRs)과 마이크로 플레어와 같은 태양 일시적 사건과 연관된 증가 현상을 탐지할 수 있는가?
• RQ4 SAA는 스위프트-BAT와 밀라그로에서 측정된 고에너지 입자 사건의 관측 가능성을 높이는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 계절 변화는 SAA 지역에서 뮤온 플럭스 증가 현상의 시작과 지속 기간에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SAA 지역은 낮 동안 고에너지 간성선의 강화된 침투로 인해 해면 레벨에서 뮤온 강도가 최대 10배 증가한다(Eμ > 0.2 GeV).
• 뮤온 플럭스 증가 현상은 일출 약 3시간 후에 시작되어 일몰 약 1시간 후에 종료되며, 이 시간표는 계절에 따라 조절된다.
• 시간당 사전 반전 전기장(PRE) 변화와 시간당 뮤온 강도 변화 사이에 직접적인 상관관계가 관찰되며, 이는 '일몰 증가' 현상까지 포함된다.
• 뮤온 강도 증가 현상은 스위프트-BAT 촉발과 시간적으로 관련되어 있으며, 스위프트 위성이 SAA 지역에 진입할 무렵 발생하여 SAA 통과 기간 동안 입자 침강이 발생했음을 시사한다.
• SAA는 낮은 태양 활동 기간 동안에도 CIRs와 마이크로 플레어와 같은 태양 일시적 사건과 연관된 뮤온 강도 증가 현상을 지표면에서 탐지할 수 있도록 한다.
• 마이크로 플레어와 시간적으로 일치하는 두 건의 지표면 강도 증가(GLEs)가 관측되었으며, GOES11에 의해 측정된 X선 방출은 플레어의 발원지가 태양-지구 자기장선과 정렬되어 있음을 시사한다.