[论文解读] 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

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一句话总结

研究报告了 ALPAQUITA 在 2024 年 5 月 10 日检测到的 Forbush 下降（FD），由 Any1 和 Any2 计数模式观测。Any1 在中位刚性 76 GV 时显示 4.26% 的下降，而 Any2 在 960 GV 处给出 2σ 的上限 0.95%，指示高刚性处的硬到软谱行为。

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.

研究动机与目标

• 研究高于 100 GV 的高宇宙线刚性 FD 的动机与意义。
• 展示 ALPAQUITA 的计数模式能力（Any1/Any2），以获得更高刚性。
• 表征 FD 振幅对刚性的依赖，并与 NM 与μ子探测网络结果进行比较。

提出的方法

• 在海平面以上 4740 m 处操作 ALPAQUITA 地表阵列（97 个探头，面积 18,450 m^2），记录 Any1（单次计数）和 Any2（双击 coincidences），并与传统的 3/4 跃点空气 showers 触发 Any3/Any4 同时记录。
• 使用蒙特卡罗模拟（CORSIKA 配合 FLUKA 与 QGSJET II-04；基于 GEANT4 的探测器响应）将计数模式的刚性映射为：Any1 约 76 GV，Any2 约 960 GV，Any3 约 2290 GV，Any4 约 3340 GV。
• 使用现场系数对大气压效应进行速率数据的校正，并对 Any2 应用意外 coincidences 的修正。
• 通过与 FD 发生前基线（5 月 8–9 日）定义的基线水平进行对比，提取 FD 振幅并计算不确定度。
• 对观测到的振幅对中位刚性进行拟合，采用幂律 A_obs ∝ (R_m / 10 GV)^(-γ)，并在现有 NM/GMDN/Misato 数据背景下进行讨论。

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.

实验结果

研究问题

• RQ1 在 70–1000 GV 范围内，FD 振幅相对于中位原始刚性的函数关系是什么？
• RQ2 Any2 是否能就 100 GV 以上的高刚性 FD 行为给出约束？
• RQ3 2024 年 5 月 10 日 FD 的 ALPAQUITA 数据与 NM 和 μ子探测结果相比如何？
• RQ4 是否存在在更高刚性下 FD 振幅的光谱软化的证据？
• RQ5 影响高刚性 FD 测量的地磁和各向异性因素有哪些？

主要发现

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 在中位刚性 76 GV 处观测到 FD 振幅为 4.26% ± 0.33%。
• Any2 未观测到显著的 FD 下降，在 960 GV 处的 2σ 上限为 0.95%。
• 跨多种探测器的幂律拟合得到 A_obs = (10.9% ± 0.9%) × (R_m / 10 GV)^(-0.55 ± 0.07)。
• Any2 的上限略微暗示在 100 GV 至 1000 GV 之间存在谱线性软化，与 Misato 探测器的指示一致。
• 对地磁暴效应进行了评估，认定对得到的结论影响很小。
• ALPAQUITA 的 Any2 模式为 FD 研究提供独特的高刚性覆盖，推动未来更密集/分段的配置。

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