2015 年 - 2017 年冬期の金沢地域における雷雲ガンマ線データの解析
松元崇弘A
和田有希A, B, 古田禄大C, 中澤知洋D, 榎戸輝揚E,湯浅孝行B, 土屋晴文C, 牧島一夫B, 小高裕和A, 馬場彩A,米徳大輔F, 澤野達哉F
東大理A , 理研B, 原研C, 名大理D, 京大理E, 金沢大数物F
1

1.1. 雷雲からのガンマ線
雷雲内の電場による電子加速➕ ➕ ➕ ➕➕
➕
➖
➖ ➖➖ ➖ ➖
➖

雪崩増幅

・雷活動にガンマ線が伴うことがわかってきた（鳥居+02, 土屋+07など）

・自然界で唯一知られる、ガンマ線磁場が関与しない電場による粒子加速・雷雲内の電場で加速・雪崩増幅された電子が制動放射を生じる

➕

➕
➕

雲中電場
< 1 km検出器

典型的な雷雲ガンマ線・雷雲が検出器上空を通過する
数十秒間、線量が増加する
・多くは落雷を伴わない・~ 20 MeVまで延びるスペクトル
・「ロングバースト」と呼ばれるカウントレート（逃走電子雪崩；Grevich+92）2

1.2. GROWTHの多地点観測
ガンマ線検出数

北陸の冬季雷雲の特徴
・夏季雷雲より低い雲底(< 1 km)~ ガンマ線の平均自由行程；数百 m

à ガンマ線が地上に届きやすい・エネルギーの大きい落雷が多い

à 北陸は雷雲ガンマ線研究の最適地
年度

GROWTH実験(Gamma-Ray Observation of Winter THundercloud)・2006年度から新潟県柏崎で始めた雷雲ガンマ線の地上観測・2015年度から金沢・小松で多地点観測に着手(和田+年次大会 16)・雷雲加速器の時間発展を追跡
・ロングバーストとは異なる様々な放射線イベントの観測（例：継続時間〜 ミリ秒のショートバースト(榎戸+ 17)）3

1.2. GROWTHの多地点観測
本講演の対象
ガンマ線検出数
北陸の冬季雷雲の特徴
・夏季雷雲より低い雲底(< 1 km)~ ガンマ線の平均自由行程；数百 m

à ガンマ線が地上に届きやすい・エネルギーの大きい落雷が多い

à 北陸は雷雲ガンマ線研究の最適地
年度

GROWTH実験(Gamma-Ray Observation of Winter THundercloud)・2006年度から新潟県柏崎で始めた雷雲ガンマ線の地上観測(土屋+11)
・2015年度から金沢・小松で多地点観測に着手(和田+年次大会 16)

3 年間で 28 件のイベントを観測でき、十分な数のイベントが揃ってきた・スペクトルの系統解析
・気象条件との比較
を通してロングバーストの物理的描像を解釈する

4

2. 観測地点と検出器

金沢地域検出器設置場所
2 km

GROWTH金沢・小松サイト
・海岸から山間部に至る広い平野部
・冬期の雷日数が多い

金沢で 8 台、小松で 2 台の観測網

可搬型ガンマ線検出器

3 年間にわたって冬季に延べ 300 日運用し、28 件の雷雲ガンマ線を観測した
うち 24 件がロングバースト30 cm

・大型のCsI(5 x 5 x 30 cm)やBGO(8 x 2.5 x 25 cm)を使い大有効面積を実現
・広いエネルギー帯域（2017年度は 0.4‒20 MeV）
・50 MHzサンプルで 1 イベントごとに記録・遠隔で制御・データ取得が可能

45 cm

510 kg3.1. 典型的なガンマ線スペクトル2018 年 1 月 10 日に観測された
ロングバースト・継続時間：90 sec
・光子数：3361 個

0.4–20 MeV
ビン幅3 sec

検出器応答込みのスペクトルsourcebackground
差分スペクトル6

・継続時間：90 sec
・光子数：3361 個

カットオフのある、べき形関数で0.4‒20 MeV の範囲をフィット
4.7
べきα = 0.79 6% 4.5
4.<
カットオフβ = 4.5 6% 4.; MeV

検出器応答を解いたスペクトル

cutoff power-law
𝐴 𝐸 = 𝐾𝐸 %& exp(−𝐸/ 𝛽)比2018 年 1 月 10 日に観測されたロングバースト

フォトン数 /𝐜𝐦𝟐 / 秒 / MeV

3.1. 典型的なガンマ線スペクトル(90%誤差)

Reduced χ> / d.o.f. = 1.25 / 39
カットオフのある、べき形関数でよく合うことが確認出来る(cf. 松元+年次大会 17)

Geant4を用いてシミュレーションを行い、レスポンスを作成した
7

3.2. スペクトルの系統的な解析
24 イベントのロングバーストのうち、光子数が1000を超える
高統計な 8 イベントを解析

カットオフ

2016/12/8c
2017/1/13b
2017/12/5b
2017/12/5c
2018/1/10b
2018/1/10d
2018/1/10f
2018/1/11

100

100
normalized counts s−1 MeV−1

1010

1

10.1

カウント数 / 秒 / MeV

・3‒5 MeVの範囲に有意なカットオフが存在するべき形スペクトルdataでよく表される

1

1

1055
22 Energy (MeV)
10エネルギー (MeV)

matumototakahiro 13−Sep−2018 02:56

8

3.2. スペクトルの系統的な解析
24 イベントのロングバーストのうち、光子数が1000を超える
高統計な 8 イベントを解析

べき

イベント数

・3‒5 MeVの範囲に有意なカットオフが存在するべき形スペクトルでよく表される
・べきと放射継続時間
相関係数 = −0.82 ß 負の相関がある

カットオフエネルギー(MeV)

継続時間(秒)93.3. スペクトルの系統的な解析②
24 イベントのロングバーストのうち、光子数が1000を超える
高統計な 8 イベントを解析
・べきとフラックス(3‒14 MeV)
相関係数 = −0.14・カットオフエネルギーととフラックス(3‒14 MeV)
相関係数 = 0.07

べきカットオフ(MeV)à どちらも相関は見られない

フラックス(photons/𝐜𝐦𝟐 /s)

フラックス(photons/𝐜𝐦𝟐10/s)

3.4. スペクトルの解釈
スペクトルの解釈
・3‒5 MeVの範囲に有意なカットオフが存在するべき形スペクトルでよく合うことから、雷雲中で加速された電子による制動放射と解釈できる・シミュレーションから示唆されるカットオフ 7.3 MeV (Dwyer+12) と桁で一致

・べきとフラックスに相関がないのは、GROWTH柏崎実験の結果と矛盾しない (楳本博論16)
雲底高度

・べきと継続時間に負の相関があった・低エネルギーのガンマ線は大気中で吸収を強く受けるため、べきはハードになる
・例えば同じ放射源でも、その高度が大気中を違えばべきと継続時間に負の相関を走る距離生じる・検出器から放射源までの水平距離など、関連するパラメーターが多く、今後の研究課題である。
継続時間

短短長

11長

4. 気象条件とガンマ線強度
国土交通省のXバンドレーダー (250 mメッシュ・1 分間隔)で雨量を測る(利用したXRAINデータは、国土交通省より提供されたものである)
・電波を発射し、雨滴に当たって10 km
10:34
帰ってくる反射波を測定している

カウントレートà ガンマ線強度が強いとき雨量も多い傾向にある
⾦沢沿岸
0.4–24 MeV
ビン幅 10 sec

検出器

2018/01/11

10 km

12

4. 気象条件とガンマ線強度
国土交通省のXバンドレーダー(250 mメッシュ・1 分間隔)で雨量を測る(利用したXRAINデータは、国土交通省より提供されたものである)
・電波を発射し、雨滴に当たって10 km10:37帰ってくる反射波を測定している

カウントレートà ガンマ線強度が強いとき雨量も多い傾向にある
⾦沢沿岸
0.4–24 MeV
ビン幅 10 sec

検出器

2018/01/11

10 km13

4. 気象条件とガンマ線強度
国土交通省のXバンドレーダー (250 mメッシュ・1 分間隔)で雨量を測る(利用したXRAINデータは、国土交通省より提供されたものである)
・電波を発射し、雨滴に当たって10 km
10:40帰ってくる反射波を測定している

カウントレートà ガンマ線強度が強いとき雨量も多い傾向にある
⾦沢沿岸
0.4–24 MeV
ビン幅 10 sec

検出器

2018/01/11

14

4. 気象条件とガンマ線強度
国土交通省のXバンドレーダー(250 mメッシュ・1 分間隔)で雨量を測る(利用したXRAINデータは、国土交通省より提供されたものである)
・電波を発射し、雨滴に当たって10 km10:43帰ってくる反射波を測定している

カウントレートà ガンマ線強度が強いとき雨量も多い傾向にある
⾦沢沿岸
0.4–24 MeV
ビン幅 10 sec

検出器

2018/01/11

10 km

15

4. 気象条件とガンマ線強度
国土交通省のXバンドレーダー (250 mメッシュ・1 分間隔)で雨量を測る(利用したXRAINデータは、国土交通省より提供されたものである)
・電波を発射し、雨滴に当たって10 km
10:46
帰ってくる反射波を測定している

カウントレートà ガンマ線強度が強いとき雨量も多い傾向にある
⾦沢沿岸
0.4–24 MeV
ビン幅 10 sec

検出器

2018/01/11

10 km

16

5. 気象条件との比較
気象との比較
・ガンマ線の放射強度が強いとき
雨量も多い
・上昇気流が強いと雲がよく発達して雨量が多くなる。
・同時に、電荷分離が大きくなる(北川96)ため、放射線量も強くなるからか利⽤したデータセットは、⽂部科学省の委託事業により開発・運⽤されているデータ統合・解析システム(DIAS)の下で、収集・提供されたものである

17

6. まとめ1.

2015 年度から 2017 年度の3年間にわたり、金沢地域での冬期雷雲観測網を拡大してきた。
合計で延べ 24 件のロングバーストを観測した。

2.

統計の良い８件はカットオフを持つべき関数で表され、カットオフエネルギーは 3‒5 MeVの範囲に収まった。
雲中の電場で加速された電子による制動放射と解釈できる。
べきと放射線の継続時間に負の相関を発見した。
検出器と放射源の中心の水平位置の違いによって定性的に説明できる。

3.

降水量との比較を行い、放射線強度が強いところは雨量も強い傾向にあることがわかった。

今年度は金沢・小松地域に検出器を 14 台新たに追加する。
より多くのガンマ線を観測できると期待している。
18

7. 引用利⽤したデータセットは、⽂部科学省の委託事業により開発・運⽤されているデータ統合・解析システム(DIAS)の下で、収集・提供されたものである

19

3.1ʼ. 強いガンマ線イベント
検出器応答込みのスペクトル
Unfolded Spectrum

110.1
0.1

0.01

比

1.05
1.05
11ratio

3–20 MeV
ビン幅3 sec−2−1−1・継続時間：90 sec
・光子数：3361 個

𝟐フォトン数
Photons cm/𝐜𝐦
s MeV / 秒 / MeV2018 年 1 月 10 日に観測された
ロングバースト

sourcebackground
差分スペク

0.95
0.9
0.9
11

2

25

Energy (MeV)

51010

matumototakahiro 13−Sep−2018 04

エネルギー (MeV)20