The Amerigo Vespucci as a traveling laboratory for studying the cosmic-ray fluxes at sea level

Resumen Técnico: El Amerigo Vespucci como Laboratorio Móvil para el Estudio de los Flujos de Rayos Cósmicos al Nivel del Mar

Problema y Contexto
Los rayos cósmicos (RC), principalmente protones y núcleos atómicos de alta energía, interactúan con la atmósfera terrestre para producir cascadas de partículas secundarias, incluyendo muones y electrones, que alcanzan el nivel del mar. La intensidad de estas partículas en la superficie de la Tierra está modulada por dos factores primarios: el campo geomagnético y la actividad solar. El campo geomagnético actúa como un escudo, desviando las partículas cargadas de menor energía; el momento mínimo requerido para que una partícula alcance una ubicación específica se conoce como "corte geomagnético" (geomagnetic cutoff). Este corte varía con la latitud, siendo más alto cerca del ecuador magnético y más bajo cerca de los polos. Además, la actividad solar, caracterizada por el ciclo solar de 11 años, las llamaradas solares y las eyecciones de masa coronal (CME), influye en el flujo de RC mediante disminuciones transitorias conocidas como "disminuciones de Forbush" (Forbush decreases).

Históricamente, el efecto de latitud en los RC fue establecido en la década de 1930 mediante expediciones de J. Clay y, posteriormente, de Arthur Compton. Sin embargo, el campo geomagnético evoluciona con el tiempo, alterando las rigideces de corte. Además, mientras que los monitores de neutrones (NM) han proporcionado datos extensos sobre el componente nucleónico de los RC, las mediciones del componente muónico al nivel del mar a través de un rango continuo y amplio de latitudes durante períodos de alta actividad solar siguen siendo valiosas para el análisis comparativo. Este estudio aborda la necesidad de mediciones continuas y de alta precisión de los flujos de RC secundarios al nivel del mar a través de diversas latitudes geomagnéticas y condiciones solares.

Metodología
Los autores utilizaron el Amerigo Vespucci, un buque de entrenamiento de la Armada Italiana, como un laboratorio móvil para medir los flujos de rayos cósmicos durante su gira mundial 2023–2025. El estudio se dividió en dos campañas principales:

1. Gira Mundial (Darwin a Trieste): Desde el 4 de octubre de 2024 hasta el 4 de marzo de 2025, cubriendo un rango de latitud geográfica de 12.47°S a 45.63°N.
2. Gira del Mediterráneo (Trieste a Génova): Desde el 7 de marzo de 2025 hasta el 11 de junio de 2025.

Sistema Detector:
El instrumento consistió en dos teselas de centelleador plástico superpuestas de 1 cm de espesor (15 × 15 cm²), leídas por fotomultiplicadores de silicio (SiPM). El sistema requería una coincidencia de 4 pliegues (dos señales de cada tesela) dentro de una ventana de 50 ns para activar un evento, con un umbral de discriminación de aproximadamente 0.75 MeV. El detector estaba equipado con un conjunto completo de sensores para monitorear variables ambientales y posicionales, incluyendo:

• Posición y Orientación: GPS (L80-M39) y una placa Sense HAT (LSM9DS1) para yaw (guiñada), pitch (cabeceo), roll (alabeo) y campo magnético local.
• Condiciones Ambientales: Temperatura (DS18B20, BME280), presión (LPS25H, BME280) y humedad (HTS221).
• Adquisición de Datos: Una Raspberry Pi 4 gestionó la recolección de datos en ejecuciones de 10 minutos, almacenando los datos localmente y transmitiéndolos al centro de computación del INFN Bari.

Análisis de Datos y Correcciones:
Las tasas de conteo brutas fueron corregidas por:

• Inclinación: Ajustada basándose en el movimiento del buque y el ángulo fuera de eje del detector.
• Efecto Barométrico: Corregido utilizando un coeficiente ($\beta$) determinado en Darwin ($\beta = 1.52 \pm 0.48 \times 10^{-3} \text{ hPa}^{-1}$) para dar cuenta de las variaciones de la presión atmosférica.
• Actividad Solar: Los datos del Monitor de Neutrones (NM) de Oulu sirvieron como referencia para identificar y modelar las disminuciones de Forbush. Los autores ajustaron los datos del Vespucci utilizando un modelo fenomenológico (Ec. 1) que combinaba un término dependiente de la latitud y un término de disminución de Forbush. El término de latitud se modeló como una función de la rigidez de corte geomagnético vertical ($R_c$) utilizando la función de Dorman (Ec. 5).

Resultados Clave

• Dependencia de la Latitud: El estudio confirmó un claro efecto de latitud. La tasa de RC más baja se observó en una latitud geográfica de aproximadamente 7°N (cerca de Singapur, Belawan y Phuket), donde el corte geomagnético es máximo. Esta tasa mínima fue aproximadamente un 16% inferior a la tasa máxima medida en Trieste (45.63°N), el punto más septentrional del viaje.
• Saturación: Los datos indicaron que la tasa de RC comienza a saturarse por encima de los 40° de latitud (correspondiente a una rigidez de corte vertical inferior a ~5 GV).
• Disminuciones de Forbush: Se identificaron siete disminuciones de Forbush distintas durante la etapa Darwin-Trieste, correspondientes a los picos de actividad solar en el Ciclo Solar 25. La amplitud de estas disminuciones en el detector de muones del Vespucci osciló entre el 1.1% y el 4%, significativamente menor que el 3.1% al 12.3% observado en el NM de Oulu. Esta discrepancia resalta que los muones son sensibles a los RC primarios de mayor energía que los neutrones.
• Campaña del Mediterráneo: La segunda etapa (Trieste a Génova) mostró resultados consistentes, observándose una disminución de la tasa del 5% entre el punto más septentrional (Trieste) y el más meridional (La Valette), alineándose con los datos de la gira mundial. También se registró una disminución de Forbush a finales de mayo de 2025, con una amplitud de reducción similar (~8%) en comparación con el NM de Oulu.
• Ajuste del Modelo: Los datos experimentales fueron bien descritos por la función de Dorman que relaciona la tasa con la rigidez de corte vertical. Los parámetros ajustados fueron $A = 9.21 \pm 0.22$ y $k = 0.575 \pm 0.007$. El valor de $k$ resultó ser inferior a los valores típicamente derivados de los datos de NM, lo que respalda adicionalmente la observación de que el componente nuclear de los RC es atenuado más rápidamente por la atmósfera que el componente muónico.

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma que la expedición del Amerigo Vespucci proporcionó un conjunto de datos único y continuo de los flujos de rayos cósmicos al nivel del mar a través de un amplio rango de latitudes (15°S a 45°N) durante un período de máxima actividad solar (Ciclo Solar 25). El estudio valida los hallazgos históricos respecto al efecto de latitud y la ubicación del ecuador de los rayos cósmicos (alrededor de 7°N).

Los autores enfatizan que el uso de un instrumento único y estable durante un largo periodo permitió obtener un conjunto de datos preciso con efectos sistemáticos reducidos. La comparación entre el contador de muones del Vespucci y el monitor de neutrones de Oulu proporciona evidencia empírica de las diferentes sensibilidades de energía de estos detectores, demostrando que los muones son menos afectados por las disminuciones de Forbush y la atenuación atmosférica que los neutrones. Los resultados son consistentes con expediciones previas (por ejemplo, Compton, Millikan, JARE y estudios de rompehielos) y contribuyen a la comprensión continua de la estructura magnetosférica de la Tierra y las interacciones solar-terrestre.