Measuring contributions from single and multiple atmospheric secondary cosmic rays in the {\it Princess Sirindhorn Neutron Monitor} using cross-counter neutron time delay distributions

ملخص تقني: قياس المساهمات من الأشعة الكونية الثانوية الجوية المفردة والمتعددة في مراقب النيوترونات "برنسيس سيريندورن"

بيان المشكلة
تعد مراقبات النيوترونات (NMs) هي الأدوات الأرضية الرائدة لتتبع تغيرات تدفق الأشعة الكونية المجرية (GCR). ومع ذلك، يعتمد التحليل التقليدي لمراقبات النيوترونات على معدلات العد، والتي تدمج طيفاً واسعاً من الطاقة، مما يجعل قياسات الطيف في محطة واحدة أمراً صعباً. وبينما استخدمت الأعمال السابقة "كسور القائد" (عكس تعدد النيوترونات) داخل عداد واحد لاستنتاج التغيرات الطيفية، فإن هذا المقياس يخلط بين مساهمات الجسيمات الثانوية الجوية المفردة والجسيمات الثانوية المتعددة الناتجة عن نفس زخات الأشعة الكونية الأولية. كما لم يتم تحليل التوزيع المكاني والارتباط الزمني للنيوترونات عبر عدادات متعددة في محطة مراقبة نيوترون واحدة بشكل منهجي للتميال بين هذين الأصلين الفيزيائيين. إن فهم هذا التمييز أمر بالغ الأهمية للتحقق من صحة محاكاة مونت كارلو (MC) للزخات الجوية ودوال العائد لمراقب النيوترون، لا سيال لتتبع الطيف بدقة وتوسيع نطاقات المراقبة إلى طاقات أعلى.

المنهجية
تستخدم الدراسة مراقب النيوترونات "برنسيس سيريندورن" (PSNM)، وهو محطة من طراز 18NM64 تقع في "دوي إنتانون"، تايلاند (على ارتفاع 2560 متراً، وجدية قطع عند ~17 جيجا فولت/تسليح). تتكون المحطة من 18 عداداً تناسبياً من طراز BP-28 مرتبة في صف واحد بتباعد قدره 50 سم.

1. جمع البيانات: بعد ترقية الإلكترونيات في عام 2015، يسجل نظام PSNM التوقيت المطلق لأحداث النيوترون مع مزامنة GPS (بدقة ±3 ميكروثانية). يقوم النظام بتوليد مخططات زمنية لتأخير العد المتقاطع لجميع أزواج العدادات، مصنفة حسب مسافة الفصل ($\Delta = |i - j|$) وموقع العداد (أوسط 'm' أو طرفي 'e'). تم تحليل البيانات من أبريل 2018 إلى ديسمبر 2024.
2. كسر القائد عبر العدادات ($L_{ij}$): يعرف المؤلفون كسر القائد عبر العدادات بأنه كسر العدات في العداد $i$ التي لا ترتبط زمنياً بعدد لاحق في العداد $j$. ويتم اشتقاق ذلك عن طريق ملاءمة الذيل طويل الأمد لتوزيع التأخير الزمني (الذي تهيمن عليه المصادفات العرضية) مع دالة أسية والاستقراء إلى $t=0$ لتحديد إجمالي العد مقابل الفائض "المرتبط".
3. التصحيحات الجوية: يصحح التحليل الضغط الجوي ($p_a$) وكمية بخار الماء القابلة للترسيب (PWV). وتوضح الدراسة أن التصحيح لـ $p_a$ يزيل بفعالية الاعتماد على PWV نظراً لارتباطهما العكسي الموسمي القوي في الموقع.
4. محاكاة مونت كارلو: باستخدام حزمة FLUKA 4، قام المؤلفون بمحاكاة تفاعل النيوترونات الثانوية أحادية الطاقة (من 10 ميجا إلكترون فولت إلى 1 جيجا إلكترون فولت) والنيوكليونات (1-500 جيجا إلكترون فولت) مع هندسة PSNM لتقدير التعدد عبر العدادات المتوقع من الجسيمات الثانوية المفردة وحدها.

النتائج الرئيسية

• التعدد المعتمد على المسافة: يزد die كسر القائد عبر العدادات $L_\Delta$ مع زيادة المسافة بين العدادات، ويصل إلى حالة التشبع عند $L \approx 0.997$ للمسافات $\Delta \ge 12$ (مسافة $\ge 6$ أمتار). وهذا يعني أنه حتى عند المسافات الكبيرة، فإن حوالي 0.3% من العدات في عداد واحد ترتبط زمنياً بعدد لاحق في عداد بعيد.
• الجسيمات الثانوية المفردة مقابل المتعددة:
  • المسافات الصغيرة ($\Delta \le 4$): تهيمن النيوترونات الثالثية الناتجة عن جسيم ثانوي جوي واحد يتفاعل مع منتج الرصاص على العدات المرتبطة. ويتوافق التعدد المقاس جيداً مع محاكاة FLUKA للتفاعلات الثانوية المفردة، والتي يمكن نمذجتها كمجموع من الدوال الغاوسية والأسية للمسافة.
  • المسافات الكبيرة ($\Delta \ge 12$): لا تستطيع الجسيمات الثانوية المفردة تفسير الارتباط الملحوظ عند هذه المسافات (تظهر المحاكاة مساهمة <0.1%). ويُعزى الارتباط الملحوظ إلى جسيمات ثانوية متعددة من نفس زخة الأشعة الكونية الأولية.
• المساهمة الكمية: من خلال تحليل كسر القائد للعدادات البعيدة وتصحيح "العد المزدوج" (حيث يحفز جسيم ثانوي واحد عدة عدادات)، يقدر المؤلفون أن حوالي 4.5% من جميع عدات PSNM ترتبط بعدد لاحق من جسيم ثانوي مختلف ضمن نفس الزخة.
• الخصائص الزمنية: تتلاشى توزيعات التأخير الزمني لـ "التابع" (العدات المرتبطة) ببطء أكثر بالنسبة لأزواج العدادات البعيدة مقارنة بأزواج العدادات المتماثلة. وهذا يشير إلى أن الجسيمات الثانوية المتعددة التي تساهم في ارتباطات العدادات البعيدة تشمل نيوترونات منخفضة الطاقة ذات تأخيرات زمنية وصول كبيرة بالنسبة لجبهة الزخة الأولية.
• التعديل الشمسي: على عكس كسور القائد للعداد الواحد في محطات الجدية المنخفضة (مثل القارة القطبية الجنوبية)، لا يظهر كسر القائد للعدادات البعيدة في PSNM أي تغير ذو دلالة إحصائية عبر الدورة الشمسية 2018-2024. ويُقدر التغير المتوقع بنحو $\sim 10^{-5}$، وهو أقل من حساسية القياس الحالية.

الأهمية والادعاءات
يزعم البحث تقديم تقنية جديدة لمحطة NM واحدة للتمييز إحصائياً بين عدات النيوترونات الناشئة عن جسيمات ثانوية جوية مفردة وتلك الناشئة عن جسيمات ثانوية متعددة في نفس الزخة.

• التحقق من صحة المحاكاة: توفر قياسات تعدد النيوترونات عبر العدادات معياراً جديداً للتحقق من صحة محاكاة الزخات الجوية ودوال عائد NM، وتحديداً فيما يتعلق بمساهمة الجسيمات الثانوية المتعددة التي لم تؤخذ في الحسبان سابقاً في نماذج كسر القائد للعداد الواحد.
• تحسين تتبع الطيف: تشير النتائج إلى أن حوالي 4.5% من عدات PSNM (ومعظم محطات NM المماثلة) هي "تابعات" من جسيمات ثانوية مختلفة. يجب أخذ هذا الكسر في الاعتبار عند استخدام كسور القائد لتتبع التغيرات الطيفية للأشعة الكونية، حيث تفترض عمليات المحاكاة الحالية غالباً مساهمات ثانوية مفردة فقط.
• ترقية فعالة من حيث التكلفة: تثبت الدراسة أن ترقية إلكترونيات NM لتشمل التوقيت المطلق والتحليل عبر العدادات يعزز القدرة العلمية بشكل كبير دون الحاجة إلى تكاليف أجهزة إضافية، مما يوفر مساراً لترقيات مماثلة لمحطات NM في جميع أنحاء العالم.

يحافظ المؤلفون على نبرة متواضعة فيما يتعلق برصد تغيرات الدورة الشمسية في كسر القائد للعدادات البعيدة، مشيرين إلى أنه رغم وجود الأثر نظرياً، إلا أنه صغير جداً حالياً ليتم قياسه في PSNM بسبب حد القطع المرتفع. ويُقترح العمل المستقبلي لاستكشاف هذه التغيرات في المحطات القطبية ذات حدود القطع الأدنى.