雷から「反物質」が生成されるメカニズム、ついに解明へ

自然界にはほとんど存在しないと考えられていた「反物質」が、雷という身近な自然現象によって大量に生まれている。そのメカニズムが、京都大学の研究チームによって世界で初めて解明された。

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地球上には、絶えず宇宙から高エネルギーの放射線が降り注いでいる。宇宙線と呼ばれるこれらの放射線は、超新星の残骸やブラックホール、そして中性子星が「加速器」の役割を果たし、高エネルギーの電子や陽子を生み出した結果と考えられている。

近年の観測では、こういった粒子の加速現象が、非常に身近な「雷」や「雷雲」で発生し、同様に高エネルギーの放射線（ガンマ線）を生み出していることが明らかになっていた。しかし、粒子がどのようにして加速されるのか、そして発生したガンマ線が大気中でどのような反応を起こすのかは、十分に解明されていなかった。

こうした課題に取り組んだのが、京都大学の榎戸輝揚特定准教授が率いる研究チームだ。彼らは2015年、雷や雷雲から放出されるガンマ線の謎を解明するため、学術系クラウドファンディングサイト「academist」を通じて民間から研究資金を募集した。

この「雷雲プロジェクト」は見事に目標金額を上回り、研究チームはガンマ線検出のための放射線測定装置の試作をスタート。現在では10台以上が、石川県金沢市、小松市、新潟県柏崎市に設置されている。「冬の北陸の日本海沿岸には毎年、強力な雷雲が押し寄せ、世界的にも数少ない恵まれた雷の観測場所になります」と、研究チームは説明している。

雷が引き金となった3つのガンマ線発生源

研究チームは、17年2月6日に柏崎市に設置された4台の測定器により、雷由来の強力な放射線を検出した。彼らは最初に、落雷の瞬間に非常に強いガンマ線を確認。次に、落雷から約50ミリ秒ほど続く「ショートバースト」ガンマ線を検出した。

さらに、電子とその反物質（反粒子）である陽電子が衝突して放出される「電子・陽電子の対消滅」ガンマ線を落雷から約1分にわたって検出した。これらの観測結果について、研究チームは3つのガンマ線発生プロセスを以下のように説明している。

まず、落雷による「強力なガンマ線」が大気中の窒素¹⁴Nの原子核にぶつかり、中性子を1個外に弾き飛ばす。光核反応と呼ばれるこのプロセスの結果、弾き飛ばされた中性子と、中性子がひとつ減った窒素の放射性同位体である窒素同位体¹³Nが生成される。

次に大気中の窒素¹⁴Nが、弾き飛ばされた中性子を吸収することで窒素同位体¹⁵Nに変化する。そして窒素同位体¹⁵Nは、中性子を吸収した際の余剰なエネルギーを、「ショートバースト」ガンマ線（脱励起ガンマ線）として放出する。

光核反応で生成された窒素同位体¹³Nは不安定なため、ベータプラス崩壊を起こし、原子核の陽子1個が中性子に変わる。その結果、炭素¹³C、ニュートリノ、陽電子（反物質）が発生。この反物質が大気中の電子と衝突することで対消滅し、「電子・陽電子対消滅」ガンマ線を放出する。

観測可能なほど大量の中性子や陽電子が雷で生成されているというのは、大変な驚きでした」と語るのは、今回の研究で検出装置の制作やデータ解析で中心となった、東京大学大学院の和田有希氏だ。「地上には宇宙線などの環境放射線が常に存在しており、われわれの高感度な検出器でも、陽電子が少量生成されたくらいではその存在を観測できないのです」

自然界にはほとんど存在しないと考えられていた反物質は、今回の研究により、雷という身近な自然現象によって大量に生まれていることが確認された。そして「電子・陽電子対消滅」ガンマ線を含むこれら一連の現象は、雷を引き金とした光核反応として説明できることが、世界で初めて観測的に解明されたのだ。

一方で、光核反応や反物質の生成のきっかけとなる、最初の「落雷による強力なガンマ線」はどのような仕組みで起こるのかはよくわかっていないという。これについて、榎戸教授は次のように推測している。

「このメカニズムは完全には解明されていませんが、雷の放電時に強い電場で電子が光速近くまで加速され、大気にぶつかって放出される制動放射ガンマ線と考えられています」　
市民からの研究費サポートによりオープンサイエンスへ

一般市民からサポートを得たこれら一連の研究内容は、学術誌『Nature』に掲載されている。なお、日本語版の詳細にはプレスリリースからアクセスできる。

今回の「雷雲プロジェクト」は、市民参加型の科学プロジェクトとして観測データが公開されている。彼らは今後、観測拠点の拡大やデータ解析などで市民の協力を得るために、「サイエンス・ミートアップ」などの勉強会を通じて連携の強化をはかっていく予定だという。産経ニュースより