[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用位于巴西（22°S，43°W）的两台方向性μ子望远镜，调查南大西洋异常区（SAA）如何增强地表μ子通量。SAA区域较弱的地磁场使高能宇宙射线和太阳粒子得以更深入穿透，导致白天高能μ子（Eμ > 0.2 GeV）强度最高可达十倍增加，且与反向电场增强及太阳瞬态事件（如共转相互作用区和微耀斑）相关。

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.

研究动机与目标

• 调查南大西洋异常区（SAA）因地磁屏蔽减弱而对地表μ子通量的影响。
• 分析μ子强度变化与SAA区域反向电场（PRE）之间的相关性。
• 探测并表征与太阳瞬态事件（如共转相互作用区（CIRs）和微耀斑）相关的μ子增强现象。
• 研究SAA在实现地基高能粒子事件探测（包括伽马射线暴触发）中的作用。
• 支持未来扩展Tupi实验，以增强对GeV–TeV伽马射线暴和太阳瞬变事件的探测能力。

提出的方法

• 在22°S，43°W（位于SAA区域内）部署两台方向性μ子望远镜，利用塑料闪烁体探测Eμ > 0.2 GeV的μ子。
• 使用有效孔径为65.6 cm² sr的望远镜，一台垂直安装，一台与垂直方向成45°角，以测量方向性μ子强度。
• 将每小时μ子强度变化与由电离层电导率梯度推导出的反向电场（PRE）进行相关性分析。
• 将μ子率增强与Swift-BAT和MILAGRO的天基触发信号进行比较，特别是在Swift卫星穿越SAA期间。
• 利用ACE实时太阳风（RTSW）数据和GCN报告，分析CIRs和微耀斑等太阳瞬态事件期间的μ子通量。
• 使用地磁场模型和ISO强度线定义SAA区域，并验证望远镜位置处于异常区内。

实验结果

研究问题

• RQ1 南大西洋异常区如何影响地表μ子强度，特别是在强度大小和时间变化方面？
• RQ2 反向电场（PRE）与SAA区域每小时μ子强度变化之间是否存在可测量的相关性？
• RQ3 地基μ子望远镜能否探测到与太阳瞬态事件（如共转相互作用区（CIRs）和微耀斑）相关的增强现象？
• RQ4 SAA在实现高能粒子事件（包括Swift-BAT和MILAGRO探测到的事件）观测中起到何种作用？
• RQ5 季节性变化如何影响SAA区域μ子通量增强的起始时间和持续时间？

主要发现

• 由于高能宇宙射线穿透增强，SAA区域在白天地表μ子强度（Eμ > 0.2 GeV）最高可达十倍增加。
• μ子通量增强通常在日出约3小时后开始，日落约1小时后结束，其时间特征受季节调制影响。
• 观察到反向电场（PRE）每小时变化与μ子强度每小时变化之间存在直接相关性，包括特征性的“日落增强”现象。
• μ子增强与Swift-BAT触发在时间上相关，这些触发发生在Swift卫星进入SAA区域期间，表明SAA穿越期间存在粒子沉降。
• SAA使地基探测器能够观测到与太阳瞬态事件（如CIRs和微耀斑）相关的μ子增强，即使在太阳活动水平较低时亦可实现。
• 在与微耀斑时间一致时观测到两次地基增强事件（GLEs），且GOES11探测到X射线辐射，表明耀斑的磁 footpoints 与地日磁场线对齐。