Study of solar modulation effects on cosmic ray fluxes measured by the AMS experiment

Miguel Reis Orcinha

Informações chave

Autores:

Miguel Reis Orcinha (Miguel Reis Orcinha)

Orientadores:

Fernando José De Carvalho Barão (Fernando José De Carvalho Barão)

Publicado em

27/02/2023

Resumo

Ao atravessarem o sistema solar os raios cósmicos deparam-se com um fluxo de plasma magnetizado altamente condutor que emana do Sol, conhecido como Vento Solar, que transporta o turbulento campo magnético solar e com o qual estes interagem. Devido à atividade solar, a heliosfera está sujeita a variações de curta e longa duração que se refletem no fluxo de raios cósmicos na forma de variabilidade temporal, especialmente a baixas energias (até cerca de 50 GeV), na proximidade da Terra. Esta variabilidade da intensidade de raios cósmicos na heliosfera é conhecida como Modulação Solar dos Raios Cósmicos Galácticos. O Espectrómetro Magnético de Partículas Alfa (AMS-02) é um detetor de raios cósmicos de alta precisão instalado na Estação Espacial Internacional (ISS) que observa continuamente o fluxo de raios cósmicos e as suas variações no tempo, posicionando-se como uma plataforma única para estudar Modulação Solar. Nesta tese caracterizou-se de forma introdutória os raios cósmicos e relevou-se AMS enquanto o detetor usado para os observar e estudar. Estudou-se a estimativa do fluxo de raios cósmicos em grande detalhe enquanto se analisou o desempenho dos diferentes sub-detetores envolvidos. Descreveu-se o processo através do qual se utilizou a grande precisão de AMS e dos seus sub-detetores para identificar as astro-partículas que esta deteta e como foi estimado o fluxo resolvido em tempo com uma resolução de 27 dias (conhecida como rotação solar Bartel). Foi introduzido o processo físico da Modulação Solar e apresentou-se uma revisão da equação de transporte de Parker e as suas ligações ao campo magnético solar através dos parâmetros de propagação. Utilizando técnicas modernas de análise de frequências, caracterizou-se o fluxo de protões resolvido no tempo, quer no domínio do tempo quer das frequências, e correlacionou-se o mesmo com as diferentes periodicidades temporais presentes no Ciclo de Atividade Solar. Usando um modelo do transporte de raios cósmicos na heliosfera, em combinação com uma grande coleção de dados experimentais, mostrou-se evidência de um atraso temporal de 8 meses entre as observações do ciclo de atividade solar e o fluxo de raios cósmicos medido no espaço. Este resultado permite prever o fluxo de raios cósmicos na Terra através da observação da atividade solar. As cosmic rays traverse through the solar system they are faced with an outward flow of highly-conductive magnetized plasma known as the Solar Wind. Embedded in this wind is the turbulent Heliospheric Magnetic Field with which cosmic rays interact, significantly changing both their energy and trajectory. Due to solar activity, the heliosphere is subjected to both short and long-term changes which reflect as temporal variations on the cosmic-ray flux, specially at lower energies (up to 50 GeV). These temporal variations of cosmic ray intensity in the heliosphere are known as the Solar Modulation of Galactic Cosmic Rays. AMS-02, the Alpha Magnetic Spectrometer is a high-precision state-of-the-art cosmic-ray detector installed in the International Space Station, continuously monitoring the cosmic-ray flux as it changes with time positioning it as a unique platform to study Solar Modulation. In this thesis we will begin by briefly exploring the history of the discovery of cosmic rays and showcase AMS as the detector used to observe them. After, we characterize the estimation of a cosmic-ray flux in detail as we study the performance of the different AMS detectors involved. Finally we describe the process by which we use AMS’ high-precision detectors to identify the cosmic-ray particles arriving at the detector and how we estimated the 27-day (known as Bartel solar rotation) time-resolved cosmic-ray proton flux. We will then introduce the physical process that is Solar Modulation and present an overview of Parker’s transport equation and its connections to the solar magnetic field through the different propagation parameters. Utilizing modern frequency-analysis techniques we characterized the time-resolved proton flux, in both time and frequency domains, as we correlated it to the different temporal periodicities present in the Solar Activity Cycle. Using a data-driven model of cosmic-ray transport in the heliosphere, in combination with a large collection of data, we showed evidence of an eight-month time-lag between observations of solar activity and measurements of cosmic-ray fluxes in space. This result enables us to forecast the cosmic ray flux on Earth well in advance by monitoring solar activity.