[논문 리뷰] 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 Fuente외 50명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 13.

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한 줄 요약

본 연구는 ALPAQUITA(Any1 및 Any2 카운팅 모드)로 검출된 2024년 5월 10일의 Forbush 감소를 보고합니다. Any1은 중앙 리길티 76 GV에서 4.26% 감소를 보이고, Any2는 960 GV에서 0.95%의 2시그마 상한치를 제시하여 고리된 리길티에서의 단단-소프트 스펙트럼(하드-투-소프트 스펙트럴 거동)을 시사합니다.

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 $A_{obs} = (10.9\% \pm 0.9\%) imes (R_{m}/10\,GV)^{-0.55 \pm 0.07}$ 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.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 100 GV를 넘는 우주선의 Forbush 감소(FD) 연구 동기 부여.
• Higher rigidities에 접근하기 위한 ALPAQUITA의 카운팅 모드 기능(Any1/Any2) 시연.
• FD 진폭의 강직도 의존성 특성화 및 NM 및 뮤온 검출망과의 비교.

제안 방법

• ALPAQUITA 지표대(97 카운터, 면적 18,450 m^2)를 고도 4740 m a.s.l.에서 운영하여 Any1(단일 카운트 속도)와 Any2(2-히트 동시 탐지)를 전통적인 3/4-히트 에어샤워 트리거인 Any3/Any4와 함께 기록합니다.
• 카운팅 모드 강직도 맵핑을 위해 몬테카를로 시뮬레이션(CORSIKA with FLUKA and QGSJET II-04; GEANT4 기반 검출기 응답)을 사용합니다.
• 현장 계수에 따른 대기압 보정 및 Any2에 대한 우발 일치(accidental-coincidence) 보정 적용.
• FD 진폭은 5월 8-9일의 기준선과 비교하여 추출하고 불확실성을 계산합니다.
• 관측된 진폭을 중앙 리길티와의 관계를 가지는 파워-법칙 A_obs ∝ (R_m / 10 GV)^(-γ)로 피팅하고, 기존 NM/GMDN/Misato 데이터 맥락에서 논의합니다.

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.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 70-1000 GV 범위에서 중앙 원발 강직도에 따른 FD 진폭은 얼마인가?
• RQ2 ALPAQUITA Any2가 100 GV를 넘은 고강직도 FD 거동에 제약을 제공할 수 있는가?
• RQ3 2024년 5월 10일 FD에 대한 ALPAQUITA 데이터가 NM 및 뮤온 검출기 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고강직도에서 FD 진폭의 스펙트럴 소프트닝에 대한 증거가 있는가?
• RQ5 고강직도 FD 측정에 영향을 주는 지자기 및 이방성 요인은 무엇인가?

주요 결과

기기	역 이름	검출 면적(m^2)	고도(m)	중앙 원발 강직도 (GV)	시간당 카운트 수	관측된 진폭 (%)
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)

• Any1은 중앙 리길티 76 GV에서 FD 진폭 4.26% ± 0.33%를 검출했습니다.
• Any2는 960 GV에서 뚜렷한 FD 감소를 보이지 않으며, 2σ 상한은 0.95%입니다.
• 다양한 검출기에서의 파워-법칙 피팅 결과는 A_obs = (10.9% ± 0.9%) × (R_m / 10 GV)^(-0.55 ± 0.07)입니다.
• Any2 상한치는 100 GV와 1000 GV 사이에서 스펙트럴 소프트닝을 시사하는 경향이 있으며 Misato 검출기 징후와 일치합니다.
• 지자기 폭풍의 영향은 평가되었고 결론에 대해서는 무시 가능한 것으로 판단됩니다.
• ALPAQUITA의 Any2 모드는 FD 연구를 위한 고강직도 커버리지를 독특하게 보여주며, 향후 더 촘촘하고 분할된 구성을 촉진합니다.

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