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

Sintesi Tecnica: L'Amerigo Vespucci come laboratorio itinerante per lo studio dei flussi di raggi cosmici al livello del mare

Problema e Contesto
I raggi cosmici (CR), composti principalmente da protoni ad alta energia e nuclei atomici, interagiscono con l'atmosfera terrestre producendo cascate di particelle secondarie, tra cui muoni ed elettroni, che raggiungono il livello del mare. L'intensità di queste particelle alla superficie terrestre è modulata da due fattori primari: il campo geomagnetico e l'attività solare. Il campo geomagnetico agisce come uno scudo, deviando le particelle cariche a bassa energia; il momento minimo richiesto affinché una particella raggiunga una specifica località è noto come "cutoff geomagnetico". Tale cutoff varia con la latitudine, essendo massimo vicino all'equatore magnetico e minimo vicino ai poli. Inoltre, l'attività solare, caratterizzata dal ciclo solare di 11 anni, dai brillamenti solari e dalle espulsioni di massa coronale (CME), influenza il flusso di CR attraverso diminuzioni transitorie note come "diminuzioni di Forbush" (Forbush decreases).

Storicamente, l'effetto della latitudine sui CR è stato stabilito negli anni '30 attraverso le spedizioni di J. Clay e successivamente di Arthur Compton. Tuttavia, il campo geomagnetico evolve nel tempo, alterando i cutoff di rigidità. Inoltre, mentre i monitor di neutroni (NM) hanno fornito estesi dati sulla componente nucleonica dei CR, le misurazioni della componente muonica al livello del mare attraverso un intervallo continuo e ampio di latitudini durante periodi di alta attività solare rimangono preziose per l'analisi comparativa. Questo studio affronta la necessità di misurazioni continue e di alta precisione dei flussi di CR secondari al livello del mare attraverso varie latitudini geomagnetiche e condizioni solari.

Metodologia
Gli autori hanno utilizzato l'Amerigo Vespucci, una nave scuola della Marina Militare italiana, come laboratorio mobile per misurare i flussi di raggi cosmici durante il suo tour globale 2023–2025. Lo studio è stato suddiviso in due campagne principali:

1. World Tour (Darwin - Trieste): Dal 4 ottobre 2024 al 4 marzo 2025, coprendo un intervallo di latitudine geografica da 12,47°S a 45,63°N.
2. Tour del Mediterraneo (Trieste - Genova): Dal 7 marzo 2025 al 11 giugno 2025.

Sistema di Rilevamento:
Lo strumento consisteva in due piastrine di scintillatore plastico sovrapposte da 1 cm di spessore (15 × 15 cm²), lette da fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). Il sistema richiedeva una coincidenza a 4 vie (due segnali da ciascuna piastrella) entro una finestra di 5 l'interno di 50 ns per innescare un evento, con una soglia di discriminazione di circa 0,75 MeV. Il rilevatore era dotato di una suite completa di sensori per monitorare le variabili ambientali e posizionali, tra cui:

• Posizione e Orientamento: GPS (L80-M39) e una scheda Sense HAT (LSM9DS1) per imbardata (yaw), beccheggio (pitch), rollio (roll) e campo magnetico locale.
• Condizioni Ambientali: Temperatura (DS18B20, BME280), pressione (LPS25H, BME280) e umidità (HTS221).
• Acquisizione Dati: Un Raspberry Pi 4 gestiva la raccolta dei dati in sessioni di 10 minuti, memorizzando i dati localmente e trasmettendoli al centro informatico dell'INFN di Bari.

Analisi dei Dati e Correzioni:
I tassi di conteggio grezzi sono stati corretti per:

• Inclinazione: Regolata in base al moto della nave e all'angolo fuori asse del rilevatore.
• Effetto Barometrico: Corretto utilizzando un coefficiente ($\beta$) determinato a Darwin ($\beta = 1,52 \pm 0,48 \times 10^{-3} \text{ hPa}^{-1}$) per tenere conto delle variazioni di pressione atmosferica.
• Attività Solare: I dati del Neutron Monitor di Oulu (NM) sono serviti come riferimento per identificare e modellare le diminuzioni di Forbush. Gli autori hanno adattato i dati del Vespucci utilizzando un modello fenomenologico (Eq. 1) che combinava un termine dipendente dalla latitudine e un termine di diminuzione di Forbush. Il termine della latitudine è stato modellato come funzione della rigidità di cutoff geomagnetico verticale ($R_c$) utilizzando la funzione di Dorman (Eq. 5).

Risultati Chiave

• Dipendenza dalla Latitudine: Lo studio ha confermato un chiaro effetto di latitudine. Il tasso più basso di CR è stato osservato a una latitudine geografica di circa 7°N (vicino a Singapore, Belawan e Phuket), dove il cutoff geomagnetico è massimo. Questo tasso minimo era circa il 16% inferiore rispetto al tasso massimo misurato a Trieste (45,63°N), il punto più a nord del viaggio.
• Saturazione: I dati hanno indicato che il tasso di CR inizia a saturare sopra i 40° di latitudine (corrispondenti a una rigidità di cutoff verticale inferiore a ~5 GV).
• Diminuzioni di Forbush: Sette distinte diminuzioni di Forbush sono state identificate durante la tratta Darwin-Trieste, corrispondenti ai picchi di attività solare nel Ciclo Solare 25. L'ampiezza di queste diminuzioni nel contatore di muoni del Vespucci è stata compresa tra l'1,1% e il 4%, significativamente inferiore rispetto al 3,1% - 12,3% osservato nel NM di Oulu. Questa discrepanza evidenzia che i muoni sono sensibili a componenti di CR primari a energia più elevata rispetto ai neutroni.
• Campagna Mediterranea: La seconda fase (Trieste - Genova) ha mostrato risultati coerenti, con una diminuzione del tasso del 5% osservata tra il punto più a nord (Trieste) e quello più a sud (La Valletta), in linea con i dati del tour globale. Una diminuzione di Forbush registrata nella fine di maggio 2025 è stata anch'essa documentata, con un'ampiezza di riduzione simile (~8%) rispetto al NM di Oulu.
• Fitting del Modello: I dati sperimentali sono stati ben descritti dalla funzione di Dorman che mette in relazione il tasso con il cutoff geomagnetico verticale. I parametri fittati sono stati $A = 9,21 \pm 0,22$ e $k = 0,575 \pm 0,007$. Il valore di $k$ è risultato inferiore ai valori tipicamente derivati dai dati NM, supportando ulteriormente l'osservazione che la componente nucleica dei CR è attenuata più rapidamente dall'atmosfera rispetto alla componente muonica.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo afferma che la spedizione dell'Amerigo Vespucci ha fornito un dataset unico e continuo di flussi di raggi cosmici al livello del mare attraverso un ampio intervallo di latitudini (15°S a 45°N) durante un periodo di massima attività solare (Ciclo Solare 25). Lo studio valida i risultati storici riguardanti l'effetto della latitudine e la posizione dell'equatore dei raggi cosmici (intorno a 7°N).

Gli autori sottolineano che l'uso di un singolo strumento stabile su una lunga durata ha permesso di ottenere un dataset preciso con ridotti effetti sistematici. Il confronto tra il contatore di muoni del Vespucci e il monitor di neutroni di Oulu fornisce una prova empirica delle diverse sensibilità energetiche di questi rilevatori, dimostrando che i muoni sono meno influenzati dalle diminuzioni di Forbush e dall'attenuazione atmosferica rispetto ai neutroni. I risultati sono coerenti con le precedenti spedizioni (ad esempio, Compton, Millikan, JARE e le rilevazioni di rompighiaccio) e contribuiscono alla comprensione continua della struttura magnetosferica terrestre e delle interazioni sole-terra.