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

技術要約：海面における宇宙線フラックス研究のための移動型実験室としてのアメリゴ・ヴェスプチ号

問題と背景
宇宙線（CR）は、主に高エネルギーの陽子および原子核であり、地球の大気と相互作用して、ミューオンや電子を含む二次粒子カスケードを生成し、それらは海面に到達する。これら粒子の強度は、主に二つの要因、すなわち地磁気と太陽活動によって変調される。地磁気はシールドとして機能し、低エネルギーの荷電粒子を偏向させる。特定の場所に粒子が到達するために必要な最小運動量は「地磁気カットオフ」として知られている。このカットオフは緯度によって変化し、磁気赤道付近で最も高く、極域付近で最も低くなる。さらに、太陽活動（11年間の太陽周期、太陽フレア、コロナ質量放出（CME）によって特徴付けられる）は、「フルブルシュ減少」と呼ばれる一時的な減少を通じて宇宙線フラックスに影響を与える。

歴史的に、宇宙線の緯度効果は1930年代にJ. クレイによる遠征、次いでアーサー・コンプトンによる遠征を通じて確立された。しかし、地磁気は時間とともに進化し、カットオフ剛度を変化させる。また、中性子モニター（NM）は核成分に関する広範なデータを提供してきたが、高い太陽活動期において、連続的かつ広範な緯度範囲にわたる海面でのミューオン成分の測定は、比較分析のために依然として価値がある。本研究は、様々な地磁気緯度および太陽条件下における、海面での二次宇宙線フラックスの連続的かつ高精度な測定の必要性に対処するものである。

手法
著者らは、2023年から2025年の世界航海中のイタリア海軍の訓練船「アメリゴ・ヴェスプチ号」を、宇宙線フラックスを測定するための移動型実験室として活用した。研究は二つの主要なキャンペーンに分けられた：

1. ワールドツアー（ダーウィンからトリエステまで）： 2024年10月4日から2025年3月4日まで、地理的緯度範囲12.47°Sから45.63°Nをカバー。
2. 地中海ツアー（トリエステからジェノバまで）： 2025年3月7日から2025年6月11日まで。

検出器システム：
装置は、シリコン光増倍管（SiPM）によって読み出される、2枚の重なり合う厚さ1 cmのプラスチックシンチレータタイル（15 × 15 cm²）で構成された。システムは、イベントをトリガーするために50 nsのウィンドウ内で4重一致（各タイルからの2つの信号）を必要とし、判別閾値は約0.75 MeVであった。検出器には、以下の環境および位置変数（位置、方位、局所磁場、温度、気圧、湿度など）を監視するための包括的なセンサースイートが装備された：

• 位置および方位： GPS (L80-M39) および Sense HAT ボード (LSM9DS1) によるヨー、ピッチ、ロール、および局所磁場。
• 環境条件： 温度 (DS18B20, BME280)、気圧 (LPS25H, BME280)、および湿度 (HTS221)。
• データ収集： Raspberry Pi 4 が10分間のデータ収集を管理し、データをローカルに保存した後、INFN Bari コンピュータセンターに送信した。

データ分析および補正：
生のカウントレートは、以下の項目に対して補正された：

• 傾斜角： 船舶の動きおよび検出器のオフアキシス角に基づいて調整。
• 気圧効果： 気圧変動を考慮するため、ダーウィンにて決定された係数（$\beta = 1.52 \pm 0.48 \times 10^{-3} \text{ hPa}^{-1}$）を用いて補正。
• 太陽活動： オウルの中性子モニター（NM）のデータが、フルブルシュ減少を特定およびモデル化するためのリファレンスとして使用された。著者らは、緯度依存項とフルブルシュ減少項を組み合わせた現象論的モデル（式1）を用いてヴェスプチのデータをフィッティングした。緯度項は、ドーマン関数（式5）を用いて垂直地磁気カットオフ剛度（$R_c$）の関数としてモデル化された。

主な結果

• 緯度依存性： 本研究は明確な緯度効果を確認した。地磁気カットオフが最大となる地理的緯度約7°N（シンガポール、ベラワン、プーケット付近）において、最も低い宇宙線レートが観測された。この最小レートは、航路の最北端であるトリエステ（45.63°N）で測定された最大レートよりも約16%低かった。
• 飽和： データは、緯度40°以上（垂直カットオフ剛度が約5 GV以下に対応）で宇宙線レートが飽和し始めることを示した。
• フルブルシュ減少： ダーウィン・トリエステ区間において、第25太陽周期の太陽活動のピークに対応する7つの明確なフルブルシュ減少が特定された。ヴェスプチのミューオン検出器におけるこれらの減少の振幅は1.1%から4%であり、オウルのNMで観察された3.1%から12.3%よりも大幅に低かった。この不一致は、ミューオンが中性子よりも高エネルギーの一次宇宙線に対して敏感であることを浮き彫りにしている。
• 地中海キャンペーン： 第二段階（トリエステからジェノバまで）は一貫した結果を示し、最北端（トリエステ）と最南端（ラ・ヴァレッタ）の間で5%のレート減少が観察され、これはワールドツアーのデータと一致した。2025年5月後半のフルブルシュ減少も記録されており、オウルのNMと比較して同様の振幅減少（約8%）が見られた。
• モデルフィッティング： 実験データは、レートと垂直地磁気カットオフの関係を示すドーマン関数によく記述された。適合パラメータは $A = 9.21 \pm 0.22$ および $k = 0.575 \pm 0.007$ であった。$k$ の値は、NMデータから通常導出される値よりも低いことが判明しており、これは核成分がミューオン成分よりも大気によってより急速に減衰するという観察結果をさらに支持している。

意義および主張
本論文は、アメリゴ・ヴェスプチ号の遠征が、最大太陽活動期（第25太陽周期）において、広範な緯度（15°Sから45°N）にわたる海面での宇宙線フラックスのユニークかつ連続的なデータセットを提供したと主張している。本研究は、緯度効果および宇宙線赤道（約7°N）の位置に関する歴史的な知見を検証した。

著者らは、長期間にわたり単一の安定した計器を使用したことにより、系統誤差を抑えた精密なデータセットが得られたことを強調している。ヴェスプチのミューオンカウンターとオウルの中性子モニターとの比較は、両検出器のエネルギー感受性の違いに関する経験的な証拠を提供しており、ミューオンが中性子よりもフルブルシュ減少や大気減衰の影響を受けにくいことを示している。これらの結果は、過去の遠征（例：コンプトン、ミリカン、JARE、および砕氷船による調査）と一致しており、地球の磁気圏構造および太陽・地球間の相互作用の理解に寄与するものである。