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

Résumé technique : L'Amerigo Vespucci comme laboratoire itinérant pour l'étude des flux de rayons cosmiques au niveau de la mer

Problématique et contexte
Les rayons cosmiques (RC), principalement composés de protons de haute énergie et de noyaux atomiques, interagissent avec l'atmosphère terrestre pour produire des cascades de particules secondaires, notamment des muons et des électrons, qui atteignent le niveau de la mer. L'intensité de ces particules à la surface de la Terre est modulée par deux facteurs principaux : le champ géomagnétique et l'activité solaire. Le champ géomagnétique agit comme un bouclier, déviant les particules chargées de faible énergie ; le moment minimal requis pour qu'une particule atteigne un lieu spécifique est appelé « coupure géomagnétique » (geomagnetic cutoff). Cette coupure varie selon la latitude, étant maximale près de l'équateur magnétique et minimale près des pôles. De plus, l'activité solaire, caractérisée par le cycle solaire de 11 ans, les éruptions solaires et les éjections de masse coronale (EMC), influence le flux de RC par des diminutions transitoires connues sous le nom de « diminutions de Forbush ».

Historiquement, l'effet de latitude sur les RC a été établi dans les années 1930 grâce aux expéditions de J. Clay et plus tard d'Arthur Compton. Cependant, le champ géomagnétique évolue au fil du temps, modifiant les rigidités de coupure. Par ailleurs, bien que les moniteurs à neutrons (MN) aient fourni des données étendues sur la composante nucléique des RC, les mesures de la composante muonique au niveau de la mer sur une large gamme continue de latitudes pendant des périodes de forte activité solaire restent précieuses pour une analyse comparative. Cette étude répond au besoin de mesures continues et de haute précision des flux de RC secondaires au niveau de la mer à travers diverses latitudes géomagnétiques et conditions solaires.

Méthodologie
Les auteurs ont utilisé l'Amerigo Vespucci, un navire d'instruction de la Marine italienne, comme un laboratoire mobile pour mesurer les flux de rayons cosmiques lors de son tour du monde 2023–2025. L'étude a été divisée en deux campagnes principales :

1. Tour du Monde (Darwin à Trieste) : Du 4 octobre 2024 au 4 mars 2025, couvrant une plage de latitude géographique allant de 12,47°S à 45,63°N.
2. Tour de la Méditerranée (Trieste à Gênes) : Du 7 mars 2025 au 11 juin 2025.

Système de détection :
L'instrument consistait en deux tuiles de scintillateur plastique de 1 cm d'épaisseur (15 × 15 cm²) se chevauchant, lues par des photomultiplicateurs au silicium (SiPM). Le système nécessitait une coïncidence quadruple (deux signaux de chaque tuile) dans une fenêtre de 50 ns pour déclencher un événement, avec un seuil de discrimination d'environ 0,75 MeV. Le détecteur était équipé d'une suite complète de capteurs pour surveiller les variables environnementales et positionnelles, incluant :

• Position et Orientation : GPS (L80-M39) et une carte Sense HAT (LSM9DS1) pour le lacet (yaw), le tangage (pitch), le roulis (roll) et le champ magnétique local.
• Conditions Environnementales : Température (DS18B20, BME280), pression (LPS25H, BME280) et humidité (HTS221).
• Acquisition de Données : Un Raspberry Pi 4 gérait la collecte de données par séquences de 10 minutes, stockant les données localement et les transmettant au centre informatique de l'INFN de Bari.

Analyse des données et corrections :
Les taux de comptage bruts ont été corrigés pour :

• Inclinaison : Ajustée en fonction du mouvement du navire et de l'angle hors axe du détecteur.
• Effet Barométrique : Corrigé à l'aide d'un coefficient ($\beta$) déterminé à Darwin ($\beta = 1,52 \pm 0,48 \times 10^{-3} \text{ hPa}^{-1}$) pour tenir compte des variations de pression atmosphérique.
• Activité Solaire : Les données du moniteur à neutrons d'Oulu (MN) ont servi de référence pour identifier et modéliser les diminutions de Forbush. Les auteurs ont ajusté les données du Vespucci à l'aide d'un modèle phénoménologique (Éq. 1) combinant un terme dépendant de la latitude et un terme de diminution de Forbush. Le terme de latitude a été modélisé comme une fonction de la rigidité de coupure géomagnétique verticale ($R_c$) en utilisant la fonction de Dorman (Éq. 5).

Résultats Clés

• Dépendance à la Latitude : L'étude a confirmé un effet de latitude clair. Le taux de RC le plus bas a été observé à une latitude géographique d'environ 7°N (près de Singapour, Belawan et Phuket), où la coupure géomagnétique est maximale. Ce taux minimum était environ 16 % inférieur au taux maximum mesuré à Trieste (45,63°N), le point le plus au nord du voyage.
• Saturation : Les données ont indiqué que le taux de RC commence à saturer au-dessus de 40° de latitude (correspondant à une rigidité de coupure verticale inférieure à ~5 GV).
• Diminutions de Forbush : Sept diminutions de Forbush distinctes ont été identifiées lors de la jambée Darwin-Trieste, correspondant aux pics d'activité solaire du Cycle Solaire 25. L'amplitude de ces diminutions dans le compteur de muons du Vespucci variait de 1,1 % à 4 %, ce qui est nettement inférieur aux 3,1 % à 12,3 % observés dans le MN d'Oulu. Cette divergence souligne que les muons sont sensibles aux rayons cosmiques primaires de plus haute énergie que les neutrons.
• Campagne Méditerranéenne : La seconde étape (Trieste vers Gênes) a montré des résultats cohérents, avec une diminution du taux de 5 % observée entre le point le plus au nord (Trieste) et le point le plus au sud (La Valette), s'alignant sur les données du tour du monde. Une diminution de Forbush fin mai 2025 a également été enregistrée, avec une amplitude de réduction similaire (~8 %) par rapport au MN d'Oulu.
• Ajustement du Modèle : Les données expérimentales ont été bien décrites par la fonction de Dorman reliant le taux à la coupure géomagnétique verticale. Les paramètres ajustés étaient $A = 9,21 \pm 0,22$ et $k = 0,575 \pm 0,007$. La valeur de $k$ s'est avérée plus faible que les valeurs typiquement dérivées des données NM, soutenant davantage l'observation selon laquelle la composante nucléaire des RC est atténuée plus rapidement par l'atmosphère que la composante muonique.

Signification et Revendications
L'article affirme que l'expédition de l'Amerigo Vespucci a fourni un ensemble de données continu et unique des flux de rayons cosmiques au niveau de la mer à travers une large gamme de latitudes (15°S à 45°N) durant une période de l'activité solaire maximale (Cycle Solaire 25). L'étude valide les découvertes historiques concernant l'effet de latitude et la localisation de l'équateur des rayons cosmiques (autour de 7°N).

Les auteurs soulignent que l'utilisation d'un instrument unique et stable sur une longue durée a permis d'obtenir un ensemble de données précis avec des effets systématiques réduits. La comparaison entre le compteur de muons du Vespucci et le moniteur à neutrons d'Oulu fournit une preuve empirique des différentes sensibilités énergétiques de ces détecteurs, démontant que les muons sont moins affectés par les diminutions de Forbush et l'atténuation atmosphérique que les neutrons. Les résultats sont cohérents avec les expéditions précédentes (ex. : Compton, Millikan, JARE et les relevés de brise-glace) et contribuent à la compréhension continue de la structure magnétosphérique de la Terre et des interactions solaire-terre.