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

기술 요약: 해수면에서의 우주선 플럭스 연구를 위한 이동형 실험실로서의 아메리고 베스푸치호(Amerigo Vespucci)

문제 및 배경
우주선(Cosmic rays, CRs)은 주로 고에너지 양성자와 원자핵으로 구성되며, 지구 대기와 상호작용하여 뮤온(muons)과 전자(electrons)를 포함한 이차 입자 캐스케이드(secondary particle cascades)를 생성하며 해수면에 도달한다. 지표면에서의 이러한 입자 강도는 두 가지 주요 요인, 즉 지구 자기장과 태양 활동에 의해 조절된다. 지구 자기장은 전하를 띤 입자를 편향시키는 방패 역할을 한다. 특정 위치에 도달하기 위해 입자가 갖추어야 하는 최소 운동량은 "지자기 차단(geomagnetic cutoff)"으로 알려져 있다. 이 차단 값은 위도에 따라 변하며, 자기 적도 근처에서 가장 높고 극지방 근처에서 가장 낮다. 또한, 11년 주기인 태양 활동(태양 플레어 및 코로나 질량 방출(CME) 포함)은 "포르부시 감소(Forbush decreases)"라고 불리는 일시적인 감소 현상을 통해 우주선 플럭스에 영향을 미친다.

역사적으로 우주선의 위도 효과는 1930년대 J. 클레이(J. Clay)의 탐사와 이후 아서 컴튼(Arthur Compton)의 연구를 통해 확립되었다. 그러나 지구 자기장은 시간이 경과함에 따라 진화하며 차단 강도(cutoff rigidities)를 변화시킨다. 또한, 중성자 관측기(neutron monitors, NMs)는 핵 성분(nucleonic component)에 대한 광범의 데이터를 제공해 왔으나, 높은 태양 활동기 동안 연속적이고 넓은 위도 범위에 걸쳐 해수면에서의 뮤온 성분을 측정하는 것은 비교 분석을 위해 여전히 가치가 있다. 본 연구는 다양한 지자기 위도와 태양 조건 하에서 해수면의 이차 우주선 플럭스를 연속적이고 정밀하게 측정해야 할 필요성을 다룬다.

방법론
저자들은 2023~2025년 글로벌 투어 기간 중 이탈리아 해군의 훈련함인 *아메리고 베스푸치(Amerigo Vespucci)*호를 이동형 실험실로 활용하였다. 연구는 두 가지 주요 캠페인으로 나뉜다:

1. 월드 투어 (다윈에서 트리에스테까지): 2024년 10월 4일부터 2025년 3월 4일까지 진행되었으며, 지리적 위도 범위는 12.47°S에서 45.63°N이다.
2. 지중해 투어 (트리에스테에서 제노바까지): 2025년 3월 7일부터 2025년 6월 11일까지 진행되었다.

검출기 시스템:
장치는 실리콘 광전증배관(SiPM)으로 읽히는 두 개의 중첩된 1cm 두께 플라스틱 신틸레이터 타일(15 × 15 cm²)로 구성되었다. 시스템은 이벤트 트리거를 위해 50ns 창 내에서 4중 동시 계수(두 개의 타일에서 각각 하나의 신호)를 요구하며, 판별 임계값은 약 0.75 MeV이다. 검출기는 다음과 같은 환경 및 위치 변수를 모니터링하기 위한 종합 센서 세트를 갖추었다:

• 위치 및 방향: GPS (L80-M39) 및 요(yaw), 피치(pitch), 롤(roll) 및 국부 자기장을 위한 Sense HAT 보드 (LSM9DS1).
• 환경 조건: 온도 (DS18B20, BME280), 기압 (LPS25H, BME280) 및 습도 (HTS221).
• 데이터 수집: 라즈베리 파이 4(Raspberry Pi 4)가 10분 단위의 데이터 수집을 관리하며, 데이터를 로컬에 저장하고 INFN Bari 컴퓨터 센터로 전송한다.

데이터 분석 및 보정:
원시 계수율(raw count rates)은 다음 항목들에 대해 보정되었다:

• 경사각(Inclination): 선박의 움직임과 검출기의 오프-액시스(off-axis) 각도에 따라 조정됨.
• 기압 효과(Barometric Effect): 기압 변화를 고려하기 위해 다윈에서 결정된 계수($\beta$)를 사용하여 보정됨 ($\beta = 1.52 \pm 0.48 \times 10^{-3} \text{ hPa}^{-1}$).
• 태양 활동: 오울루 중성자 관측기(Oulu Neutron Monitor, NM) 데이터를 참조하여 포르부시 감소를 식별하고 모델링하였다. 저자들은 위도 의존 항과 포르부시 감소 항을 결합한 현상론적 모델(식 1)을 사용하여 베스푸치 데이터를 피팅하였다. 위도 항은 도먼 함수(Dorman function, 식 5)를 사용하여 수직 지자기 차단 강도($R_c$)의 함수로 모델링되었다.

주요 결과

• 위도 의존성: 연구는 명확한 위도 효과를 확인하였다. 가장 낮은 우주선 계수는 지자기 차단이 최대인 지리적 위도 약 7°N(싱가포르, 벨라완, 푸켓 인근)에서 관찰되었다. 이 최소 계수는 여정의 최북단인 트리에스테(45.63°N)에서 측정된 최대 계수보다 약 16% 낮았다.
• 포화(Saturation): 데이터는 우주선 계수가 위도 40° 이상(수직 차단 강도 약 5 GV 미만에 해당)에서 포화되기 시작함을 나타냈다.
• 포르부시 감소: 다윈-트리에스테 구간 동안 태양 주기 25의 태양 활동 정점에 해당하는 7개의 뚜렷한 포르부시 감소가 식별되었다. 베스푸치 뮤온 검출기에서 나타난 이 감소의 진폭은 1.1%에서 4% 사이였으며, 이는 오울루 NM에서 관찰된 3.1%~12.3%보다 현저히 낮았다. 이러한 차이는 뮤온이 중성자보다 더 높은 에너지의 1차 우주선에 민감하다는 점을 강조한다.
• 지중해 캠페인: 두 번째 구간(트리에스테에서 제노바까지)은 일관된 결과를 보여주었으며, 최북단(트리에스테)과 최남단(라 발레타) 사이에서 5%의 계수 감소가 관찰되어 글로벌 투어 데이터와 일치하는 모습을 보였다. 2025년 5월 말에도 포르부시 감소가 기록되었으며, 오울루 NM과 비교하여 유사한 진폭 감소(~8%)를 보였다.
• 모델 피팅: 실험 데이터는 수직 지자기 차단 강도와 계수의 관계를 나타내는 도먼 함수에 의해 잘 설명되었다. 피팅된 파라미터는 $A = 9.21 \pm 0.22$ 및 $k = 0.575 \pm 0.007$이었다. $k$ 값은 일반적으로 NM 데이터에서 유도되는 값보다 낮게 나타났는데, 이는 핵 성분이 뮤온 성분보다 대기에 의해 더 빠르게 감쇄된다는 관찰을 더욱 뒷받침한다.

의의 및 주장
본 논문은 아메리고 베스푸치 탐사가 태양 활동 극대기(태양 주기 25) 동안 넓은 위도 범위(15°S ~ 45°N)에 걸쳐 해수면에서의 우주선 플럭스에 대한 독보적이고 연속적인 데이터셋을 제공했다고 주장한다. 이 연구는 위도 효과와 우주선 적도(약 7°N)의 위치에 관한 역사적 발견을 검증한다.

저자들은 장기간 단일하고 안정적인 기기를 사용함으로써 체계적 오차(systematic effects)를 줄인 정밀한 데이터셋을 확보했음을 강조한다. 베스푸치 뮤온 카운터와 오울루 중성자 관측기의 비교는 두 검출기의 서로 다른 에너지 민감도를 입증하는 경험적 증거를 제공하며, 뮤온이 중성자보다 포르부시 감소와 대기 감쇄의 영향을 덜 받는다는 것을 보여준다. 이 결과는 이전의 탐사들(예: 컴튼, 밀리컨, JARE 및 쇄빙선 조사)과 일치하며, 지구 자기권 구조 및 태양-지구 상호작용에 대한 지속적인 이해에 기여한다.