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

Resumo Técnico: O Amerigo Vespucci como um Laboratório Móvel para o Estudo de Fluxos de Raios Cósmicos ao Nível do Mar

Problema e Contexto
Os raios cósmicos (RC), primariamente prótons de alta energia e núcleos atômicos, interagem com a atmosfera terrestre para produzir cascata de partículas secundárias, incluindo múons e elétrons, que atingem o nível do mar. A intensidade dessas partículas na superfície da Terra é modulada por dois fatores primários: o campo geomagnético e a atividade solar. O campo geomagnético atua como um escudo, desviando partículas carregadas de menor energia; o momento mínimo necessário para uma partícula atingir um local específico é conhecido como "rigidez de corte geomagnético" (geomagnetic cutoff). Este corte varia com a latitude, sendo mais alto próximo ao equador magnético e mais baixo próximo aos polos. Além disso, a atividade solar, caracterizada pelo ciclo solar de 11 anos, flares solares e ejeções de massa coronal (CMEs), influencia o fluxo de RC através de diminuições transitórias conhecidas como "diminuições de Forbush" (Forbush decreases).

Historicamente, o efeito de latitude nos RC foi estabelecido na década de 1930 através de expedições de J. Clay e, posteriormente, por Arthur Compton. No entanto, o campo geomagnético evolui ao longo do tempo, alterando as rigidezes de corte. Além disso, enquanto os monitores de nêutrons (MN) forneceram dados extensos sobre o componente nucleônico dos RC, as medições do componente muônico ao nível do mar através de uma ampla gama contínua de latitudes durante períodos de alta atividade solar permanecem valiosas para análise comparativa. Este estudo aborda a necessidade de medições contínuas e de alta precisão de fluxos de RC secundários ao nível do mar sob variadas latitudes geomagnéticas e condições solares.

Metodologia
Os autores utilizaram o Amerigo Vespucci, um navio de instrução da Marinha Italiana, como um laboratório móvel para medir fluxos de raios cósmicos durante sua turnê global de 2023–2025. O estudo foi dividido em duas campanhas principais:

1. Turnê Mundial (Darwin a Trieste): De 4 de outubro de 2024 a 4 de março de 2025, cobrindo uma faixa de latitude geográfica de 12,47°S a 45,63°N.
2. Turnê do Mediterrâneo (Trieste a Genova): De 7 de março de 2025 a 11 de junho de 2025.

Sistema de Detecção:
O instrumento consistiu em dois azulejos de cintilador plástico de 1 cm de espessura sobrepostos (15 × 15 cm²), lidos por fotomultiplicadores de silício (SiPMs). O sistema exigia uma coincidência de 4 vias (dois sinais de cada azulejo) dentro de uma janela de 50 ns para disparar um evento, com um limiar de discriminação de aproximadamente 0,75 MeV. O detector foi equipado com um conjunto abrangente de sensores para monitorar variáveis ambientais e posicionais, incluindo:

• Posição e Orientação: GPS (L80-M39) e uma placa Sense HAT (LSM9DS1) para yaw, pitch, roll e campo magnético local.
• Condições Ambientais: Temperatura (DS18B20, BME280), pressão (LPS25H, BME280) e umidade (HTS221).
• Aquisição de Dados: Um Raspberry Pi 4 gerenciou a coleta de dados em execuções de 10 minutos, armazenando dados localmente e transmitindo-os para o centro de computação do INFN Bari.

Análise de Dados e Correções:
As taxas de contagem brutas foram corrigidas para:

• Inclinação: Ajustada com base no movimento do navio e no ângulo off-axis do detector.
• Efeito Barométrico: Corrigido usando um coeficiente ($\beta$) determinado em Darwin ($\beta = 1,52 \pm 0,48 \times 10^{-3} \text{ hPa}^{-1}$) para contabilizar as variações de pressão atmosférica.
• Atividade Solar: Os dados do Monitor de Nêutrons de Oulu (MN) serviram como referência para identificar e modelar as diminuições de Forbush. Os autores ajustaram os dados do Vespucci usando um modelo fenomenológico (Eq. 1) que combinava um termo dependente da latitude e um termo de diminuição de Forbush. O termo de latitude foi modelado como uma função da rigidez de corte geomagnético vertical ($R_c$) usando a função de Dorman (Eq. 5).

Principais Resultados

• Dependência de Latitude: O estudo confirmou um claro efeito de latitude. A menor taxa de RC foi observada em uma latitude geográfica de aproximadamente 7°N (perto de Singapura, Belawan e Phuket), onde o corte geomagnético é máximo. Esta taxa mínima foi aproximadamente 16% menor do que a taxa máxima medida em Trieste (45,63°N), o ponto mais ao norte da jornada.
• Saturação: Os dados indicaram que a taxa de RC começa a saturar acima de 40° de latitude (correspondendo a uma rigidez de corte vertical abaixo de ~5 GV).
• Diminuições de Forbush: Sete diminuições de Forbush distintas foram identificadas durante a perna Darwin-Trieste, correspondendo aos picos de atividade solar no Ciclo Solar 25. A amplitude dessas diminuições no detector de múons do Vespucci variou de 1,1% a 4%, significativamente menor do que os 3,1% a 12,3% observados no MN de Oulu. Essa discrepância destaca que os múons são sensíveis a RC primários de maior energia do que os nêutrons.
• Campanha do Mediterrâneo: A segunda perna (Trieste a Genova) mostrou resultados consistentes, com uma diminuição de taxa de 5% observada entre o ponto mais ao norte (Trieste) e o mais ao sul (La Valletta), alinhando-se com os dados da turnê mundial. Uma diminuição de Forbush no final de maio de 2025 também foi registrada, com uma amplitude de redução semelhante (~8%) em relação ao MN de Oulu.
• Ajuste de Modelo: Os dados experimentais foram bem descritos pela função de Dorman relacionando a taxa à rigidez de corte geomagnético vertical. Os parâmetros ajustados foram $A = 9,21 \pm 0,22$ e $k = 0,575 \pm 0,007$. O valor de $k$ foi encontrado como sendo menor do que valores tipicamente derivados de dados de MN, apoiando ainda mais a observação de que o componente nuclear dos RC é atenuado mais rapidamente pela atmosfera do que o componente muônico.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a expedição do Amerigo Vespucci forneceu um conjunto de dados contínuo e único de fluxos de raios cósmicos ao nível do mar através de uma ampla gama de latitudes (15°S a 45°N) durante um período de atividade solar máxima (Ciclo Solar 25). O estudo valida achados históricos relativos ao efeito de latitude e à localização do equador de raios cósmicos (em torno de 7°N).

Os autores enfatizam que o uso de um instrumento único e estável ao longo de um longo período permitiu um conjunto de dados preciso com efeitos sistemáticos reduzidos. A comparação entre o contador de múons do Vespucci e o monitor de nêutrons de Oulu fornece evidência empírica das diferentes sensibilidades de energia desses detectores, demonstrando que os múons são menos afetados por diminuições de Forbush e pela atenuação atmosférica do que os nêutrons. Os resultados são consistentes com expedições anteriores (ex: Compton, Millikan, JARE e levantamentos de quebra-gelos) e contribuem para a compreensão contínua da estrutura magnetosférica da Terra e das interações solar-terrestres.