Study of particle acceleration and high-energy phenomena in strong electric field of lightning strikes

• Project/Area Number: 18J13355
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 和田 有希 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2019: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: 雷放電 / TGF / 光核反応 / 高エネルギー大気物理学 / 冬季雷 / ガンマ線 / 粒子加速 / 電子 / 電場加速 / 制動放射 / X線

Outline of Annual Research Achievements

雷放電からは10 MeVを超えるガンマ線が放出され、地球ガンマ線フラッシュ (terrestrial gamma-ray flash: TGF) と呼ばれている。これは雷放電で生じた強力な電場が大気中で電子を相対論的なエネルギーまで加速している証拠である。一方でTGFが濃密な大気中で効率よく電子を加速・増幅するメカニズムは未解明である。そこで私は北陸地方の冬季に発生する雷放電を対象としてガンマ線の地上観測を行い、TGFやTGFが光核反応によって生成する中性子・陽電子を観測してきた。
2019年度は石川県・新潟県におけるガンマ線検出器の拡充を行うとともに、雷放電の電波観測グループとの共同研究を推進し、TGFを多角的に研究する体制を構築した。その成果は3本の主著論文として出版した。2018年1月の事例では、雷放電の前に1分間ほどロングバーストと呼ばれるガンマ線が雷雲から放出されており、ロングバーストの発生場所からTGFが発生したことを明らかにした。このことから、ロングバーストを生じさせる雷雲内の強い電場領域がTGFの発生源となっている可能性を提示した (Wada et al., Comms. Phys., 2019)。2017年11月の事例では、通常の検出器では完全に飽和してしまったTGFによる地上の粒子フラックスを、原子力発電所の電離箱高線量計を用いて吸収線量として測定し、TGFの規模や発生高度を推定した (Wada et al., Phys. Rev. Lett., 2019)。また金沢市で観測した2事例においては、TGFがenergetic in-cloud pulseと呼ばれる特殊な雷放電に同期していたことを突き止めた (Wada et al., JGR Atmos., 2020)。このように北陸地方の恵まれた観測環境と多波長による観測で高エネルギー大気物理学を開拓した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] フランス国立科学研究センター/フランス国立宇宙科学センター/フランス原子力・代替エネルギー庁(フランス)
• [Int'l Joint Research] チェコ科学アカデミー 原子核研究所(チェコ)
• [Int'l Joint Research] パリ第7大学/原子力・代替エネルギー庁/フランス国立科学研究センター(フランス)
• [Int'l Joint Research] ロス・アラモス国立研究所/カリフォルニア大学サンタクルーズ校(米国)
• [Journal Article] High Peak‐Current Lightning Discharges Associated With Downward Terrestrial Gamma‐Ray Flashes (2020)
  • Author(s): Wada Y.、Enoto T.、Nakamura Y.、Morimoto T.、Sato M.、Ushio T.、Nakazawa K.、Yuasa T.、Yonetoku D.、Sawano T.、Kamogawa M.、Sakai H.、Furuta Y.、Makishima K.、Tsuchiya H.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 125 Issue: 4
  • DOI: 10.1029/2019jd031730
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Downward Terrestrial Gamma-Ray Flash Observed in a Winter Thunderstorm (2019)
  • Author(s): Wada Y.、Enoto T.、Nakazawa K.、Furuta Y.、Yuasa T.、Nakamura Y.、Morimoto T.、Matsumoto T.、Makishima K.、Tsuchiya H.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 123 Issue: 6 Pages: 061103-061103
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.061103
  • NAID: 120007185892
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gamma-ray glow preceding downward terrestrial gamma-ray flash (2019)
  • Author(s): Wada Yuuki、Enoto Teruaki、Nakamura Yoshitaka、Furuta Yoshihiro、Yuasa Takayuki、Nakazawa Kazuhiro、Morimoto Takeshi、Sato Mitsuteru、Matsumoto Takahiro、Yonetoku Daisuke、Sawano Tatsuya、Sakai Hideo、Kamogawa Masashi、Ushio Tomoo、Makishima Kazuo、Tsuchiya Harufumi
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 2 Issue: 1 Pages: 67-67
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0168-y
  • NAID: 120006647300
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mapping Observation Project of High-Energy Phenomena during Winter Thunderstorms in Japan (2019)
  • Author(s): Y. Wada, T. Enoto, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, T. Matsumoto, D. Umemoto, K. Makishima, H. Tsuchiya, and the GROWTH collaboration
  • Journal Title: Proceedings of International Symposium TEPA 2018 Thunderstorms and Elementary Particle Acceleration Volume: - Pages: 85-92
  • Open Access
• [Journal Article] Termination of Electron Acceleration in Thundercloud by Intracloud/Intercloud Discharge (2018)
  • Author(s): Wada Y.、Bowers G. S.、Enoto T.、Kamogawa M.、Nakamura Y.、Morimoto T.、Smith D. M.、Furuta Y.、Nakazawa K.、Yuasa T.、Matsuki A.、Kubo M.、Tamagawa T.、Makishima K.、Tsuchiya H.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 45 Issue: 11 Pages: 5700-5707
  • DOI: 10.1029/2018gl077784
  • NAID: 120006488573
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト： 地球ガンマ線フラッシュの地上観測と定量評価 (2020)
  • Author(s): 和田有希
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会
• [Presentation] Downward Terrestrial Gamma-ray Flash Observed in a Winter Thunderstorm (2019)
  • Author(s): Yuuki Wada
  • Organizer: The Cosmos at High Energies: Exploring Extreme Physics Through Novel Instrumentation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimated Number of Avalanche Electrons in a Downward TGF during Winter Thunderstorms (2019)
  • Author(s): Yuuki Wada
  • Organizer: EGU General Assembly 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous detection of gamma-ray glow and downward terrestrial gamma-ray flash (2019)
  • Author(s): Yuuki Wada
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高エネルギー大気物理学におけるGeant4 - 検出器応答から大気中における粒子輸送と光核反応まで - (2019)
  • Author(s): 和田有希
  • Organizer: Geant4初心者講習会・研究会
  • Invited
• [Presentation] Taranis衛星におけるMeV帯域の地球ガンマ線フラッシュ観測 (2019)
  • Author(s): 和田有希
  • Organizer: 第2回MeVガンマ線天文学研究会
• [Presentation] 冬季雷における高エネルギー現象の観測プロジェクトの進展 (2019)
  • Author(s): 和田有希
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] XGRE: a TGF/GRB detector on the TARANIS spacecraft (2019)
  • Author(s): P. Laurent, M. Lindsey-Clark, D. Pailot, I. Cojocari, E. Breelle, D. Sarria, Y. Wada
  • Organizer: 12th INTEGRAL Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト：多地点観測の進展と大気電場・電波との協同観測 (2019)
  • Author(s): 和田有希, 榎戸輝揚, 松元崇弘, 中澤知洋, 古田禄大, 湯浅孝行, 鴨川仁, G.S.Bowers, 中村佳敬, 森本健志, 玉川徹, 牧島一夫, 土屋晴文, 久保守, 松木篤, 米徳大輔, 澤野達哉, D.M.Smith
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] 冬季の雷放電と同期したガンマ線フラッシュの定量評価 (2019)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 日本原子力学会 2019年春の年会
• [Presentation] A gamma-ray glow terminated by leader development of an inter-cloud discharge in Japanese winter thunderstorm (2018)
  • Author(s): Y. Wada, G. Bowers, T. Enoto, M. Kamogawa, Y. Nakamura, T. Morimoto, D. Smith, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, T. Tamagawa, K. Makishima, H. Tsuchiya
  • Organizer: EGU General Assembly
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent Updates from Mapping Observation of High-energy phenomena In Japanese Winter Thunderstorms (2018)
  • Author(s): Y. Wada, T. Enoto, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, T. Matsumoto, D. Umemoto, K. Makishima, H. Tsuchiya, and the GROWTH collaboration
  • Organizer: Thunderstorms and Elementary Particle Acceleration (TEPA) 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Lightning-Triggered Termination of a Gamma-ray Glow in a Japanese Winter Thunderstorm (2018)
  • Author(s): Y. Wada, G. S. Bowers, T. Enoto, M. Kamogawa, Y. Nakamura, T. Morimoto, D. M. Smith, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, A. Matsuki, M. Kubo, T. Tamagawa, K. Makishima, H.Tsuchiya
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Yuuki Wada - High-energy Atmospheric Physics
  • URL: https://yuuki-wd.space/
• [Remarks] 金沢市の高校で捉えた放射線バーストで雷発生の瞬間に迫る
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2019/6437/
• [Remarks] 雷雲に隠れた天然の加速器を雷が破壊する瞬間を捉えた
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2018/5907/
• [Remarks] 雷雲に隠れた天然の加速器を雷が破壊する瞬間を捉えた
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/articles/a_00623.html