雷放電からガンマ線と同時に中性子と陽電子を観測したことで光核反応の存在を確認

November 23 2017 No Commented

雷放電からガンマ線と同時に中性子と陽電子を観測したことで光核反応の存在を確認

京都大学の榎戸輝揚特定准教授と、当研究室の和田有希(理研JRA兼)、古田禄大、中澤知洋講師、元理化学研究所の湯浅孝行博士、日本原子力研究開発機構の土屋晴文研究副主幹、北海道大学の佐藤光輝講師らの研究グループは、雷放電からの高エネルギーガンマ線が、「光核反応」と呼ばれる原子核反応により、中性子と、陽電子を放出する13Nなどの放射性同位体を生み出していることを、世界で初めて観測的に突き止めました。

論文は11月23日(イギリス時間11月22日)に、英国の学術誌 Nature に掲載されました( Nature page )。

メインサイト:京都大学のプレスリリース: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2017/171123_1.html
プレスリリース資料: https://thdr.info/files/20171123_雷が反物質をつくる_京大プレスリリース.pdf
東京大学理学部のプレスリリース:http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2017/5649/


補足

我々のグループは2006年より、冬季の日本海沿岸の活発な雷活動からくるガンマ線の観測研究を進めてきました。ガンマ線のエネルギーは30 MeV (メガ電子ボルト) に達します。これは大気分子や原子を電離させるだけでなく、大気中の原子核と「光核反応」を起こして、中性子や放射性同位体を生み出す可能性があり、これまでも理論的には議論されてきましたが、ガンマ線の信号に埋もれたり、そもそも中性子の信号が少なかったりして、観測的に実証はされてきませんでした。

雷雲中の電場で電子が加速され30 MeV に達するガンマ線を放射する不思議な現象は、2000年ごろに発見された比較的新しいもので、観測研究が活発に進められています。最初は、宇宙から観測される突発的なガンマ線 Terrestrial Gamma-ray Flash (TGF)として発見されました。同時に原子力発電所の放射線モニターのデータから、冬の日本海沿岸で、雷雲自体が1分以上にわたってガンマ線を放射する「ロングバースト」が発見されました。我々も主にこのロングバーストを狙って精力的に研究を進めてきました。

これとは別に、地上観測では「ショートバースト」と呼ばれる現象が知られています。これは、雷放電とほぼ同時に発生じ、約 100ミリ秒で減衰する特徴的なガンマ線放射です。雷放電と同期する点ではTGFとよく似てますが、TGFは約 1ミリ秒で減衰するため、時定数が2桁近くも異なります。そのため、従来、ショートバーストとTGFは「雷放電に同期する、2つの異なる高エネルギー現象」と考えてられてきました。

今回、我々はこれを覆し、ショートバーストとTGFが、共通の現象の、異なる側面であることを世界で初めて確認しました。

2017年2月6日に観測された現象は、一見、いつものショートバーストでした。しかし、観測機器の性能向上で1つ、スペクトルと時間変動の解釈で1つ、観測装置の数をこれまでの1−2カ所から4カ所に増やしたことで1つ、計3つの決定的な新しい知見が得られたのです。

1つ目は、アナログ回路の飽和です。これまでの装置では見落としていたのですが、新しい読み出し回路を用いたことで、最初に1ミリ秒ほどにわたってアナログ回路が激しく飽和していることが確認されました。これは、ショートバーストの冒頭に非常に強烈なガンマ線放射が到来したと考えることで説明できます。宇宙で観測されるTGFが地上に向かい、加速器から観測装置への距離の違いが、圧倒的に強いガンマ線強度を生んだと解釈できます。

2つ目がこの100 ミリ秒成分の性質の理解です。ショートバーストと呼んできた現象そのもので、指数関数で示す減衰時間が40-60 msです。これは光核反応でできた 10 MeV程度の高速中性子が、大気中で散乱してエネルギーを失い、周辺物質に吸収されるタイムスケール 56 ms とよく一致します。そこで我々はそのスペクトルをよく見ることにしました。すると、中性子を大気中の窒素原子などが吸収する時に出る特徴的な放射でよく説明できることがわかりました。

3つ目が、雷放電の数秒から数十秒後に、一部の検出器で観測された 511 keV のラインガンマ線です。これは、電子・陽電子の対消滅に伴って放射されるものです。光核反応によって、大気中に13Nなどの放射性同位体が大量に生成され、これがゆっくりと陽電子を出しながら崩壊しつつ、風で検出器の上空を流されてゆく様子をとらえたと考えられます。

この3つの証拠を1つのイベントから明確にとらえたことで、「下向きのTGF (明るすぎて計測困難)が、光核反応で中性子を生んで ~60ミリ秒で減衰するショートバーストを生じ、同時に生成された13Nなどの放射性同位体が数十秒に亘って電子・陽電子の対消滅線を生みだした」という統一的な描像に初めて到達できました。TGFとショートバーストの違いは、地上ではこれまで最初の「下向きのTGF」が強烈すぎるゆえに見落としていたこと、逆に宇宙では中性子の信号が少なすぎて見えていないことで、よく説明できるのです。

詳細はプレスリリースドキュメントをごらんください。投稿時の論文ドラフトは ここにあります。

本研究は、学術系クラウドファンディング academist、日本学術振興会・科研費、宇宙線研究所・共同利用研究などの資金に支えられ、我々のグループの人工衛星搭載のX線・ガンマ線装置の開発技術を応用して進められました。観測にあたっては、東京電力ホールディングス株式会社にお世話になりました。ここに深く御礼を申し上げます。