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

Este artículo presenta mediciones del Monitor de Neutrones Princesa Sirindhorn utilizando nueva electrónica para analizar las distribuciones de retraso temporal entre contadores cruzados, revelando que aproximadamente el 4.5% de los conteos detectados provienen de múltiples partículas secundarias dentro de la misma lluvia de rayos cósmicos en lugar de partículas individuales, un hallazgo que valida las simulaciones de Monte Carlo y refina la comprensión de las variaciones espectrales de los monitores de neutrones.

Lo esencial

Imagina que la Tierra está siendo constantemente azotada por una lluvia invisible compuesta de partículas de alta velocidad provenientes del espacio profundo. Estas se denominan rayos cósmicos. Cuando impactan nuestra atmósfera, no se detienen simplemente; chocan contra moléculas de aire y generan un enorme y caótico salpicadura de nuevas partículas, como una piedra lanzada a un estanque que crea ondas. Esta salpicadura se denomina "lluvia".

Algunas de estas partículas son neutrones. Para capturarlos, los científicos utilizan detectores gigantes denominados Monitores de Neutrones. Imagina el Monitor de Neutrones Princesa Sirindhorn (PSNM) en Tailandia como una larga fila de 18 "orejas" gigantes y de alta tecnología (contadores) situadas en una montaña. Su trabajo consiste en escuchar los "golpes" de estos neutrones cósmicos.

El Gran Misterio: ¿Quién está llamando a la puerta de quién?

Durante mucho tiempo, estos monitores solo podían contar cuántos golpes escuchaban. Pero recientemente, el equipo actualizó la electrónica para registrar exactamente cuándo ocurrió cada golpe, hasta una fracción diminuta de segundo.

Esto les permitió plantear una nueva pregunta: Si un contador escucha un golpe, ¿escucha un contador vecino un golpe inmediatamente después?

Si dos contadores escuchan un golpe casi al mismo tiempo, generalmente significa que ambos fueron impactados por partículas de la misma salpicadura cósmica. Los científicos denominan a esto un "seguidor". Si un contador escucha un golpe que no tiene un compañero cercano, es un "líder".

El Trabajo de Detective: Midiendo la Distancia

Los investigadores analizaron los intervalos de tiempo entre golpes en diferentes contadores. Notaron algo interesante basado en la distancia que separaba a los contadores:

1. Vecinos Cercanos (El Efecto "Familia"): Cuando dos contadores están justo uno al lado del otro, a menudo escuchan golpes juntos. Los científicos se dieron cuenta de que esto suele deberse a que una sola partícula de la lluvia cósmica impactó un anillo de plomo cercano, creando un pequeño grupo de partículas "hijas" (neutrones terciarios) que se dispersaron e impactaron ambos contadores casi instantáneamente. Es como una persona aplaudiendo, y las ondas sonoras golpeando a dos personas que están paradas justo una al lado de la otra.
2. Vecinos Distantes (El Efecto "Multitud"): Aquí está la sorpresa. Incluso cuando los contadores estaban lejos (hasta 7,5 metros), todavía escucharon golpes que estaban vinculados en el tiempo.
   • La Vieja Teoría: Los científicos pensaban que una sola partícula no podía viajar tan lejos para golpear dos contadores distantes.
   • El Nuevo Descubrimiento: El equipo utilizó simulaciones por computadora (un laboratorio virtual) para demostrar que una sola partícula simplemente no puede explicar estos vínculos distantes. En cambio, estos golpes distantes provienen de múltiples partículas diferentes de la misma gran lluvia cósmica.
   • La Analogía: Imagina un espectáculo masivo de fuegos artificiales. Si te paras cerca de la explosión, podrías ver chispas golpear dos árboles cercanos al mismo tiempo (efecto de partícula única). Pero si te paras lejos, podrías ver una chispa golpear un árbol y una chispa diferente golpear otro árbol un instante después. Ambas provienen del mismo fuego artificial, pero son chispas separadas. El monitor está detectando estas chispas separadas del mismo "fuego artificial" (lluvia de rayos cósmicos).

Los Números: ¿Con qué frecuencia ocurre esto?

El equipo calculó que aproximadamente el 4,5% de todos los golpes que escucha el monitor son en realidad "seguidores" de una partícula diferente en la misma lluvia cósmica.

• ¿Por qué importa esto? Ayuda a los científicos a comprender la "multiplicidad" de la lluvia, básicamente, cuántas partículas hay en la salpicadura.
• La "Fracción Líder": Descubrieron que para los contadores distantes, la "fracción líder" (la probabilidad de que un golpe no sea seguido por un compañero) es increíblemente alta (aproximadamente 99,7%). Esto significa que el 99,7% de las veces, un contador distante escucha un golpe solitario. Pero ese pequeño 0,3% de las veces en que sí es seguido por un compañero distante es la evidencia clave de que múltiples partículas de la misma lluvia están llegando juntas.

El Factor Clima

Los científicos también tuvieron que tener en cuenta el clima. Descubrieron que los cambios en la presión atmosférica y el vapor de agua en la atmósfera actúan como un "control de volumen" para el detector, haciéndole escuchar más o menos golpes. Al ajustar matemáticamente ese control a una configuración estándar, pudieron ver las señales cósmicas verdaderas sin el ruido del clima.

La Conclusión

Este artículo no solo cuenta rayos cósmicos; traza cómo se comportan cuando impactan el suelo. Demuestra que:

1. Los golpes cercanos suelen provenir de la dispersión de una sola partícula.
2. Los golpes lejanos suelen provenir de diferentes partículas en la misma lluvia cósmica que llegan juntas.

Esta nueva forma de observar los datos ayuda a los científicos a construir mejores modelos computacionales de cómo los rayos cósmicos chocan contra nuestra atmósfera, mejorando nuestra comprensión del clima espacial que rodea nuestro planeta. Es como pasar de simplemente contar el número de gotas de lluvia a entender exactamente cómo caen las gotas de lluvia en relación entre sí.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Medición de Contribuciones de Rayos Cósmicos Secundarios Atmosféricos Individuales y Múltiples en el Monitor de Neutrones Princesa Sirindhorn

Planteamiento del Problema
Los monitores de neutrones (MN) son los instrumentos terrestres principales para rastrear las variaciones del flujo de rayos cósmicos galácticos (RCG). Sin embargo, el análisis tradicional de MN se basa en tasas de conteo, que integran un amplio espectro de energías, lo que hace que las mediciones espectrales en una sola estación sean desafiantes. Si bien trabajos anteriores utilizaron "fracciones de líder" (el inverso de la multiplicidad de neutrones) dentro de un solo contador para inferir variaciones espectrales, esta métrica confunde las contribuciones de partículas secundarias atmosféricas individuales y de múltiples secundarias provenientes de la misma lluvia de rayos cósmicos primarios. Además, la distribución espacial y la asociación temporal de neutrones a través de múltiples contadores en una sola estación de MN no habían sido analizadas sistemáticamente para distinguir entre estos dos orígenes físicos. Comprender esta distinción es fundamental para validar simulaciones de Monte Carlo (MC) de lluvias atmosféricas y funciones de rendimiento de MN, particularmente para el seguimiento espectral preciso y la extensión de los rangos de observación a energías más altas.

Metodología
El estudio utiliza el Monitor de Neutrones Princesa Sirindhorn (PSNM), una estación 18NM64 ubicada en Doi Inthanon, Tailandia (2560 m de altitud, umbral de rigidez ~17 GV). La estación comprende 18 contadores proporcionales BP-28 dispuestos en una sola fila con un espaciado de 50 cm.

1. Adquisición de Datos: Tras una actualización electrónica en 2015, el PSNM registra la temporización absoluta de eventos de neutrones con sincronización GPS (precisión ±3 µs). El sistema genera histogramas de retraso temporal entre contadores para todos los pares de contadores, categorizados por distancia de separación ($\Delta = |i - j|$) y posición del contador (medio 'm' o extremo 'e'). Se analizaron datos de abril de 2018 a diciembre de 2024.
2. Fracción de Líder entre Contadores ($L_{ij}$): Los autores definen la fracción de líder entre contadores como la fracción de conteos en el contador $i$ que no están asociados temporalmente con un conteo subsiguiente en el contador $j$. Esto se deriva ajustando la cola de largo tiempo de la distribución de retraso temporal (dominada por coincidencias fortuitas) con una función exponencial y extrapolando a $t=0$ para determinar el conteo total frente al exceso "asociado".
3. Correcciones Atmosféricas: El análisis corrige la presión atmosférica ($p_a$) y el vapor de agua precipitable (PWV). El estudio demuestra que corregir por $p_a$ elimina efectivamente la dependencia del PWV debido a su fuerte anticorrelación estacional en el sitio.
4. Simulaciones de Monte Carlo: Utilizando el paquete FLUKA 4, los autores simularon la interacción de neutrones secundarios monoenergéticos individuales (10 MeV a 1 GeV) y nucleones (1–500 GeV) con la geometría del PSNM para estimar la multiplicidad entre contadores esperada únicamente de partículas secundarias individuales.

Resultados Clave

• Multiplicidad Dependiente de la Distancia: La fracción de líder entre contadores $L_\Delta$ aumenta con la separación de los contadores, saturándose en $L \approx 0.997$ para separaciones $\Delta \ge 12$ (distancia $\ge 6$ m). Esto implica que incluso a grandes distancias, aproximadamente el 0.3% de los conteos en un contador están asociados temporalmente con un conteo posterior en un contador distante.
• Secundarias Individuales vs. Múltiples:
  • Pequeñas Separaciones ($\Delta \le 4$): Los conteos asociados están dominados por neutrones terciarios producidos por una única partícula secundaria atmosférica que interactúa con el productor de plomo. La multiplicidad medida concuerda bien con las simulaciones FLUKA de interacciones de secundarias individuales, que pueden modelarse como una suma de funciones gaussianas y exponenciales de la distancia.
  • Grandes Separaciones ($\Delta \ge 12$): Las partículas secundarias individuales no pueden explicar la asociación observada a estas distancias (las simulaciones muestran una contribución <0.1%). La asociación observada se atribuye a múltiples partículas secundarias de la misma lluvia de rayos cósmicos primarios.
• Contribución Cuantitativa: Al analizar la fracción de líder de contadores lejanos y corregir la "doble contabilización" (donde una secundaria desencadena múltiples contadores), los autores estiman que aproximadamente el 4.5% de todos los conteos del PSNM están asociados con un conteo posterior de una diferente partícula secundaria dentro de la misma lluvia.
• Características Temporales: Las distribuciones de retraso temporal de "seguidores" (conteos asociados) decaen más lentamente para pares de contadores lejanos que para pares del mismo contador. Esto sugiere que las múltiples partículas secundarias que contribuyen a las asociaciones de contadores lejanos incluyen neutrones de baja energía con retrasos significativos en el tiempo de llegada respecto al frente de la lluvia primaria.
• Modulación Solar: A diferencia de las fracciones de líder de un solo contador en estaciones de baja rigidez (por ejemplo, la Antártida), la fracción de líder de contadores lejanos en el PSNM no muestra variaciones estadísticamente significativas durante el ciclo solar 2018–2024. La variación esperada se estima en $\sim 10^{-5}$, lo cual está por debajo de la sensibilidad de medición actual.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma proporcionar una técnica novedosa para que una sola estación de MN distinga estadísticamente entre conteos de neutrones que surgen de secundarias atmosféricas individuales y aquellos de múltiples secundarias en la misma lluvia.

• Validación de Simulaciones: Las mediciones de la multiplicidad de neutrones entre contadores proporcionan una nueva referencia para validar simulaciones de lluvias atmosféricas y funciones de rendimiento de MN, específicamente en lo que respecta a la contribución de múltiples secundarias que anteriormente no se tenían en cuenta en los modelos de fracción de líder de un solo contador.
• Refinamiento del Seguimiento Espectral: Los hallazgos sugieren que aproximadamente el 4.5% de los conteos en el PSNM (y probablemente en otros MN similares) son "seguidores" de diferentes secundarias. Esta fracción debe tenerse en cuenta al utilizar fracciones de líder para rastrear variaciones espectrales de rayos cósmicos, ya que las simulaciones actuales a menudo asumen solo contribuciones de secundarias individuales.
• Actualización Rentable: El estudio demuestra que actualizar la electrónica de los MN para incluir temporización absoluta y análisis entre contadores mejora significativamente la capacidad científica sin requerir costos adicionales de hardware, ofreciendo una vía para actualizaciones similares en estaciones de MN de todo el mundo.

Los autores mantienen un tono modesto respecto a la detección de variaciones del ciclo solar en la fracción de líder de contadores lejanos, señalando que, aunque el efecto está presente teóricamente, es actualmente demasiado pequeño para medirse en el alto umbral de rigidez del PSNM. Se propone trabajo futuro para explorar estas variaciones en estaciones polares con umbrales de rigidez más bajos.