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論文

Downward terrestrial gamma-ray flash observed in a winter thunderstorm

和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 中澤 知洋*; 古田 禄大; 湯浅 孝行*; 中村 佳敬*; 森本 健志*; 松元 崇弘*; 牧島 一夫*; 土屋 晴文

Physical Review Letters, 123(6), p.061103_1 - 061103_6, 2019/08

During a winter thunderstorm on 2017 November 24, a strong burst of gamma-rays with energies up to $$sim$$10 MeV was detected coincident with a lightning discharge, by scintillation detectors installed at Kashiwazaki-Kariwa Nuclear Power Plant at sea level in Japan. The burst had a sub-second duration, which is suggestive of photoneutron productions. The leading part of the burst was resolved into four intense gamma-ray bunches, each coincident with a low-frequency radio pulse. These bunches were separated by 0.7$$-$$1.5 ms, with a duration of $$<$$1 ms each. Thus, the present burst may be considered as a "downward" terrestrial gamma-ray flash (TGF), which is analogous to up-going TGFs observed from space. Although the scintillation detectors were heavily saturated by these bunches, the total dose associated with them was successfully measured by ionization chambers, employed by nine monitoring posts surrounding the power plant. From this information and Monte Carlo simulations, the present downward TGF is suggested to have taken place at an altitude of 2500$$pm$$500 m, involving $$8^{+8}_{-4} times10^{18}$$ avalanche electrons with energies above 1 MeV which is comparable to those in up-going TGFs.

論文

雷放電が拓く高エネルギー大気物理学

榎戸 輝揚*; 和田 有希*; 土屋 晴文

日本物理学会誌, 74(4), p.192 - 200, 2019/04

近年、日本海沿岸にある原子力発電所や自治体がもつ放射線モニタリングポストにより、冬に発生する雷や雷雲の接近に伴い、高エネルギーの放射線の増大が観測されていた。この増大の正体を明かすために、日本海沿岸に位置する柏崎刈羽原子力発電所構内に新型の検出器を設置し、2006年から観測を実施している。また2015年には安価で小型な観測装置を開発し、金沢市や小松市などにも観測拠点を構築してきた。そうした10年以上にわたる観測の結果、雷や雷雲が電子を相対論的なエネルギーに加速できる天然の粒子加速器であることを観測的に実証するとともに、雷が光核反応を引き起こし、中性子や陽電子の発生にも寄与しているという驚くべき事実も明らかにしてきた。こうした放射線観測は、従来の光や電波観測からだけではわからなかった、雷や雷雲が高エネルギー物理現象の現場であるという側面を浮かび上がらせた。本稿では、我々が得た観測結果を解説するとともに、古典的な可視光から電波の観測のみならず、X線や$$gamma$$線の観測、宇宙線,原子核物理や大気化学に広がる「雷雲や雷の高エネルギー大気物理学」という新しい学際分野を紹介する。

論文

Termination of electron acceleration in thundercloud by intracloud/intercloud discharge

和田 有希*; Bowers, G. S.*; 榎戸 輝揚*; 鴨川 仁*; 中村 佳敬*; 森本 健志*; Smith, D.*; 古田 禄大*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; et al.

Geophysical Research Letters, 45(11), p.5700 - 5707, 2018/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:53.8(Geosciences, Multidisciplinary)

An on-ground observation program for high energy atmospheric phenomena in winter thunderstorms along Japan Sea has been performed via lightning measurements of $$gamma$$-ray radiation, atmospheric electric field and low-frequency radio band. On February 11, 2017, the radiation detectors recorded $$gamma$$-ray emission lasting for 75 sec. The $$gamma$$-ray spectrum extended up to 20 MeV and was reproduced by a cutoff power-law model with a photon index of 1.36$$^{+0.03}_{-0.04}$$, being consistent with a Bremsstrahlung radiation from a thundercloud (as known as a $$gamma$$-ray glow). Then the $$gamma$$-ray glow was abruptly terminated with a nearby lightning discharge. The low-frequency radio monitors, installed $$sim$$50 km away from Noto School, recorded intra/inter-cloud discharges spreading over $$sim$$60km area with a $$sim$$300 ms duration. The timing of the $$gamma$$-ray termination coincided with the moment when a sequence of intra/inter-cloud discharges passed 0.7 km horizontally away from the radiation monitors. The atmospheric electric-field measurement presented that negative charge was located in the cloud base and not neutralized by the lightning discharge. This indicates that the $$gamma$$-ray source was located at an higher region than the cloud base.

論文

Photonuclear reactions triggered by lightning discharge

榎戸 輝揚*; 和田 有希*; 古田 禄大*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 奥田 和史*; 牧島 一夫*; 佐藤 光輝*; 佐藤 陽祐*; 中野 俊男*; et al.

Nature, 551(7681), p.481 - 484, 2017/11

 被引用回数:26 パーセンタイル:3.91(Multidisciplinary Sciences)

Relativistic electrons accelerated by electric fields of lightnings and thunderclouds emit bremsstrahlung $$gamma$$ rays, which have been detected at ground observations. The energy of the $$gamma$$ rays is sufficiently high to potentially invoke atmospheric photonuclear reactions $$^{14}$$N($$gamma$$, n)$$^{13}$$N, which would produce neutrons and eventually positrons via $$beta^{+}$$ decay of generated unstable radioactive isotopes, especially $$^{13}$$N. However, no clear observational evidence for the reaction has been reported to date. Here we report the first detection of neutron and positron signals from lightning with a ground observation. During a thunderstorm on 6 February 2017 in Japan, an intense $$gamma$$-ray flash ($$<$$1 ms) was detected at our monitoring sites. The subsequent initial burst quickly subsided with an exponential decay constant of 40-60 ms, followed by a prolonged line emission at $$sim$$0.511MeV, lasting for a minute. The observed decay timescale and spectral cutoff at $$sim$$10 MeV of the initial emission are well explained with de-excitation $$gamma$$ rays from the nuclei excited by neutron capture. The centre energy of the prolonged line emission corresponds to the electron-positron annihilation, and hence is the conclusive indication of positrons produced after the lightning. Our detection of neutrons and positrons is unequivocal evidence that natural lightning triggers photonuclear reactions.

論文

Observation of an energetic radiation burst from mountain-top thunderclouds

土屋 晴文*; 榎戸 輝揚*; 鳥居 建男; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 鳥井 俊輔*; 福山 太郎*; 山口 貴弘*; 加藤 博*; 岡野 眞治*; et al.

Physical Review Letters, 102(25), p.255003_1 - 255003_4, 2009/06

 被引用回数:47 パーセンタイル:10.89(Physics, Multidisciplinary)

2008年9月20日に標高2770mの乗鞍観測所において$$gamma$$線と電子が同時に検出された。これらの放出は、雷雲活動によるもの考えられ90秒続いた。$$gamma$$線のエネルギーは10MeVに達し、距離60$$sim$$130mにある線源からの制動放射線によるものと推定された。電子は、雷雲中での加速によって生成されたものと考えられる。

口頭

日本海沿岸における冬の雷や雷雲に伴う放射線観測

土屋 晴文; 榎戸 輝揚*; 和田 有希*; 古田 禄大*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 奥田 和史*; 牧島 一夫*; 佐藤 光輝*; 佐藤 陽祐*; et al.

no journal, , 

日本海沿岸地域にある原子力発電所や自治体が持つモニタリングポストにより、冬の雷の発生や雷雲の通過に伴った3MeV以上の高エネルギー放射線量の増大が観測されていた。こうした放射線は、雷や雷雲がもつ電場によって加速された電子の制動放射$$gamma$$線であると考えられている。また、近年、雷や雷雲に付随して中性子や陽電子の信号を捉えたという報告もあった。これは、制動放射だけではなく様々な高エネルギー反応が雷や雷雲の中で起こっている可能性を示唆しており、活発な議論がなされている。本発表では、現在までに原子力センシング研究グループが観測したロングバーストと呼ばれる雷雲の通過に伴って放射線量が数分ほど増大する事象と、雷に同期して発生する継続時間が1秒以下のショートバーストの観測結果について報告する。特に、2017年2月の落雷に伴って発生したショートバーストでは、雷が光核反応を誘発し、中性子, 陽電子および酸素や炭素の放射性同位体を生成した実験的な証拠を初めて確認することに成功した。本発表では、それらの生成メカニズムについても議論する。

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