雷が大気中で原子核反応を起こしている証拠 - 柏崎市上空で陽電子が生成

京都大学(京大)などは11月23日、雷が大気中で原子核反応を起こしている証拠を発見したと発表した。

同成果は、京都大学白眉センター 榎戸輝揚特定准教授、東京大学大学院理学系研究科の大学院生 和田有希氏および古田禄大氏、元理化学研究所 湯浅孝行博士、東京大学大学院理学系研究科 中澤知洋講師らの研究グループによるもので、11月23日付の英国科学誌『Nature』に掲載された。

近年、雷や雷雲は自然界における天然の加速器として働き、電子を光速近くまで加速できるものと指摘されている。実際に、雷雲内で加速された電子が大気分子と衝突することで生じたガンマ線が、人工衛星など最先端の装置を利用して観測されていた。

同研究グループはこれまでに、雷雲や雷から放出されるガンマ線を北陸の日本海沿岸付近の地上から観測する研究を行ってきた。これにより雷雲の通過に伴って数分間にわたりガンマ線が地上に降り注ぐ現象「ロングバースト」と、1秒以下の短時間に強力なガンマ線が到来する突発現象「ショートバースト」があることがわかっていたが、その詳細は不明だった。

現在、同研究グループの小型放射線検出器10台以上が、金沢市、小松市、柏崎市などへ設置されているが、今回の論文は、柏崎市に設置された4台の検出器による2017年2月6日の観測がもととなっている。観測では、落雷の瞬間に非常に強いガンマ線が検出され、その後100mm秒ほどで急速に減衰。それから約35秒後に、0.511MeVのエネルギーを持つガンマ線が捉えられた。前者はショートバースト、後者は、雷による原子核反応によって放出された陽電子が大気中の電子と対消滅したことによる「対消滅ガンマ線」であると考えられるという。

雷からのガンマ線は大気中に含まれる¹⁴Nと相互作用し、この際、高速中性子が原子核から叩き出され、放射性同位体¹³Nが生成するという光核反応が起こる。¹³Nの半減期は10分程度であり、陽電子を放出しながら¹³Cに変わっていく。この際、陽電子が電子と対消滅し0.511MeVのガンマ線が放出されるが、これが今回35秒遅れて検出された対消滅ガンマ線に対応している。したがって、今回検出されたショートバーストと対消滅ガンマ線は、雷が原子核との光核反応を起こした明確な観測的証拠といえる。

一方、叩き出された高速中性子は最終的に大気中や地表の原子核に吸収されるというが、中性子が¹⁴Nの原子核を構成する陽子と入れ替わる反応が起こる場合もあり、この際には¹⁴Cが生成される。¹⁴Cは年代測定に利用されており、今回雷が¹⁴Cを生成すると明らかになったことで、年代測定に何らかの影響がある可能性もある。

榎戸特定准教授は、「今回観測された雷による原子核反応は、非常に強い雷でしか起きないものではないか」と話しており、今後ロケットを利用して雷を人工的に発生させる実験を行うなどさらなる研究が待たれる。また、「気象観測や大気計測の分野と連携し、『高エネルギー大気物理学』という新しい研究分野を発展させていきたい」とも語っていた。