[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用位于巴西的Tupiμ子望远镜，首次在太阳活动第24周期内检测到地磁层增强事件（GLE），该事件由2012年5月17日发生的M5.1级耀斑触发。实验在5分钟时间窗内观测到背景值之上20%的μ子过剩，表明在南大西洋异常区，低能μ子望远镜可有效探测太阳瞬态事件，原因在于地磁屏蔽减弱导致粒子穿透增强。

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.

研究动机与目标

• 探究2012年5月17日M5.1级太阳耀斑与太阳活动第24周期首次地磁层增强事件（GLE）之间的物理关联。
• 评估地面μ子望远镜，特别是位于南大西洋异常区（SAA）的仪器，探测与太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）相关的太阳高能粒子（SEP）的能力。
• 将地面μ子通量增强与空间观测（GOES、ACE）及地面观测（中子监测仪、IceTop）的太阳瞬态事件数据进行关联。
• 评估低地磁截止和低能量阈值在提升SAA区域对太阳粒子事件探测灵敏度方面的作用。
• 为改善空间天气监测和太阳物理学研究，提供与空间和地面仪器互补的观测数据。

提出的方法

• 利用位于巴西尼泰罗伊（22.9°S, 43.2°W, 海拔3米）的Tupiμ子望远镜阵列，该阵列位于海平面，处于南大西洋异常区（SAA）内。
• 以5分钟时间分辨率测量垂直和倾斜配置下的μ子计数率，数据采集采用30 MHz采样率。
• 将μ子通量变化与GOES-15的太阳X射线通量数据、ACE的太阳风参数以及芬兰奥卢中子监测仪的数据进行关联。
• 通过与太阳耀斑和CME发生时间同步的时间剖面，分析相对于背景的μ子过剩。
• 将μ子信号与IceCube中微子观测站IceTop表面阵列的空气簇射探测器数据进行比较。
• 评估地球磁场在SAA区域的构型对粒子穿透和μ子产生效率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 2012年5月17日观测到的GLE是否与M5.1级太阳耀斑及其伴随的CME存在物理关联？
• RQ2 位于南大西洋异常区的地面μ子望远镜能否以高时间相关性探测到太阳高能粒子事件？
• RQ3 Tupi望远镜的低地磁截止和低能量阈值如何增强对太阳瞬态事件的探测灵敏度？
• RQ4 μ子增强与影响地球磁层的星际激波或CME鞘区之间的时序相关性如何？
• RQ5 μ子望远镜在空间天气研究中，能在多大程度上为空间和中子监测仪观测提供互补数据？

主要发现

• Tupiμ子望远镜在2012年5月17日M5.1太阳耀斑后5分钟时间窗内，观测到背景值之上20%的μ子计数率过剩。
• μ子增强与太阳耀斑爆发时间及星际激波到达时间具有时间相关性，证实了其与太阳瞬态事件的物理关联。
• 该观测结果确认2012年5月17日事件为太阳活动第24周期的首次GLE，与中子监测仪和空间观测数据一致。
• 南大西洋异常区的低地磁截止使太阳粒子穿透增强，尽管探测器能量阈值较低，仍导致海平面μ子通量增加。
• Tupi实验展示了对高于π介子产生阈值的原初粒子的敏感性，可在地面探测到能量大于0.2–0.3 GeV的μ子。
• 2012年5月20日观测到二次μ子信号，与CME/鞘区撞击地球磁层相关，进一步验证了该仪器探测星际扰动的能力。