コラム

雷の光が原子核の反応を引き起こす !?
京都大学白眉センター・宇宙物理学教室

雷

雷の特定准教授

榎戸 輝揚

かって進み，大気にぶつかることで進行方向にガンいました。限られた予算でたくさんの装置をつくるました。図 2 にその様子が描かれています。前述のには 1 台ずつはなるべく安くする必要があり，やはように，落雷が起きると，わずか数ミリ秒の強力なり研究費が必要です。普通は政府に申請して科学研ガンマ線の放出が生じます。そして，このガンマ線究費補助金を獲得しますが競争は激しく，若手ばかエネルギーが 10 MeV を超えると，大気中の窒素りの私たちのチームは当初，予算を得られませんで14した。

核反応」を起こします 6)。

N や酸素 16O の原子核から中性子をはじき出す「光四季のうつろいが美しい日本列島では，空を見上マ線を放っているためと考えられています。この現そこで新しい試みとして学術系クラウドファン

光核反応で原子核を飛び出した中性子は，大気中げると，季節に応じた自然現象を楽しめます。太平象 は， 地 球 か ら や っ て く る ガ ン マ 線 な の で，ディングを活用することにしました。これは限られで何度も散乱を繰り返し，徐々にエネルギーを失い，洋側では夏の青空を背景にもくもくと立ち上る積乱

Terrestrial Gamma-ray Flash（TGF）と呼ばれていた期間で市民から直接に研究費の寄付を募るもので大気中の原子核 14N に吸収されます。その結果，大雲を見ることができますし，日本海沿岸ではシベリます。このような雷が起こすガンマ線は，TGF のす。2 ヶ月にわたって研究の面白さを伝え，160 万部分は，中性子が原子核中の陽子を置き換える核反ア寒気団から吹き付ける季節風が日本海を渡って，みならず，自然雷や人工的な誘雷実験でも検出され，円の寄付をいただくことができました。サポーター

応（（n,p）反応）で炭素の同位体 14C に変わりますが，雷雲がやってきます。やがて雲が低く垂れ込めて空関心を集めています。の皆さんには深く感謝しています。そして，これら一部は中性子捕獲で 15N になります。この 15N の原を手始めに新しい小型の観測装置をつくり，図 1 の子核はエネルギーの高い励起状態なので，より安定ように金沢，小松，珠洲，柏崎，富山の，大学，高な低エネルギー状態に移る際にガンマ線を放出しま

校，科学館，民間企業と協力して観測網を広げましす。雷が起きてから 100 ミリ秒ほど続くガンマ線のた。

残光は，このような「即発ガンマ線」と考えられます。

が暗くなると，大気を切り裂いて閃光と轟音を放つの雷が発生します。この雷放電は子どもの頃から誰しもが目にする現象ですが，最近になって，その不思議な性質が次々と明らかになってきました。

雷の日本海岸の冬季雷雲は，強力な雷放電を伴い，高度も低く，世界的にも理想的な観測条件をそろえて一方で，光核反応で中性子を失った 13N 原子核は不発達した積乱雲の中では，上昇気流の中で大小のいます。実際，雷雲が通過すると原子力発電所の放氷の粒が衝突して電荷を渡し合い，プラスとマイナ

射線モニタリングポストが反応する例が報告されてスの電荷層ができ，その間に電気的な力がはたらくいました 。これは雷放電のようなミリ秒の時間ス

この新しい観測網で思わぬ発見がありました。柏

安定な 13C という原子核になります。このベータプ電場ができます。符号の同じ電荷どうしは反発し，ケールではなく，数秒以上にわたって続きます。こ崎の検出器の近くで 2017 年 2 月 6 日に落雷があり，ラス崩壊では，原子核中の陽子は中性子に変換され，違うものは引き合いますから，雲の中の電荷は中和の現象を詳しく調べるため，私たちは GROWTH

その瞬間に強力なガンマ線のバーストが数ミリ秒以陽電子とニュートリノが放出されます。陽電子は大して消えようとするのですが，大気中では電気は流（Gamma-Ray Observations of Winter THundercloud）

下で発生し，それから 100 ミリ秒ほどにわたって，気中ですぐに電子と対消滅して 0.511 MeV の光となれにくいので，なかなか中和できません。雷はそれという研究グループを立ち上げ，2006 年から新潟10 MeV（メガ電子ボルト）に達する高エネルギーのります。雷の周辺で生成された 13N は，陽電子を撒を突き破って大電流を流して閃光と轟音を起こし，県で観測を行ってきました 4)。その結果，雷雲の中ガンマ線の残光が生じました。さらに面白いことに，き散らしながら徐々に風下に流れ，観測にかかった電荷を移動させて不均衡を解消します。

わけです。

3)

雷が起こす光核反応の安定で，約 10 分で徐々にベータプラス崩壊をし，に強い電場の領域が存在し，そこで定常的に，じわ落雷地点より風下で 0.511 MeV の単色エネルギーの雷はリターンストロークと呼ばれる大電流が流れじわと電子が加速され，大気にぶつかってガンマ線ガンマ線が検出されました 5)。これは，電子や陽電私たちはこんな素敵な新発見に出会いましたが，るプロセスで閃光を放ちますが，その前に，電流がを放つことがわかってきました。これをガンマ線子（電子の反粒子）の静止質量エネルギーに対応し，これで終わりではありません。どんな雷がどの程度流れやすい道をつくるリーダーという過程がありまビームとよびます。雷雲がサーチライトのようにガ陽電子がなんらかのプロセスで発生し，電子と対消の光核反応を起こすかはよくわかっていません。雷

す。このリーダーで放電路ができる際に，強い電場ンマ線で地上を照らして風で流れていくのです。

滅して 0.511 MeV の光が生じたことを意味します。

雲からのガンマ線ビームも雷の発生に関係があるのチームみんなが興奮しました。

ではと疑われています。こういった謎に挑むために，が先端部に生じ，そこで電子が加速され，大気にぶつかって制動放射という仕組みでガンマ線が出るの私たちは金沢市で市民とともに観測網を広げるプロではと考えられるようになりました。ガンマ線は可ジェクトを構想しています。また，放射線に限らず，視光よりエネルギーが高く，日常生活ではなかなか大気電場の計測や，雷が放射する電波の観測などとお目にかかることはありません。しかし，こういっの連携も進め，実際に成果が出始めています 7)。

た雷から放たれるガンマ線は実験で検出されつつあります 1)。

図1

柏崎での 2006 年当時の放射線検出器の様子（左）と 2016 年のマッピング観測の様子（右）。

参考文献
1) Dwyer et al., Space Sci. Rev., 173, 133-196 (2012)

最近の驚くべき発見のひとつは，宇宙空間で遠方

このような「雷雲と雷での高エネルギー大気現象」の宇宙を観測している天文衛星が，なんと地球方向を詳しく調べるため，私たちは観測網を広げることからやってくるガンマ線のバースト現象を捉えたこにしました。これまでは 1 箇所で観測を行ってきまとです 2)。しかもガンマ線は雷放電に伴って発生ししたが，それでは現象の空間的な広がりや，時間的ているらしいのです。これも，電場のはたらきで電な発展を追うことはできません。そこで，たくさん活発な議論の後，私たちは「雷が光核反応を起こ子が高いエネルギーまで加速されて宇宙空間に向の観測装置を全国に設置して，マッピング観測を狙した」と考えれば，統一的に説明できると気が付き

2) Fishman et al., Science, 264, 1313-1316 (1994)
3) Torii et al., J. Geophys. Res., 107, 4324 (2002)
図2

雷が起こす光核反応の模式図 5)。

4) Tsuchiya et al., Phys. Rev. Lett., 99, 165002 (2007)
5) Enoto et al., Nature, 551, 481-484 (2017)6) Babich, Sov. JETP Lett., 84, 285-288 (2006)
7) Wada et al., Geophys. Res. Lett., accepted (2018)