雷や雷雲での電子加速に由来する陽電子および中性子生成の検証

• 研究課題/領域番号: 15K05115
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 土屋 晴文 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器研究センター, 客員研究員 (70415230)
• 連携研究者: 榎戸 輝陽 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器研究センター, 客員研究員 (20748123) ; 湯浅 考行 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器研究センター, 基礎科学特別研究員 (10609176)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2017年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2016年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2015年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: 粒子加速 / 放射線計測 / 雷 / 雷雲 / ガンマ線 / 中性子 / 陽電子 / 光核反応 / 制動放射ガンマ線 / 即発ガンマ線 / 放射性同位体 / 雷雲ガンマ線

研究成果の概要

本研究では、雷の発生や雷雲が上空を通過する時に、ガンマ線のみならず中性子や電子の反物質である陽電子がどのようにして生成されるのかを明かすことを目的としていた。そのため、冬に雷が頻発する日本海沿岸の柏崎刈羽原子力発電所構内において、雷や雷雲からの放射線の観測を実施してきた。
2017年2月に発生した雷に伴い、発電所の構内に備えたわれわれの検出器が雷の発生から100 ms ほど続く強烈なガンマ線と陽電子の兆候を示す信号を捉えた。詳細な解析により、雷の中でガンマ線と大気中の窒素との間で光核反応と呼ばれる核反応が発生し、中性子や陽電子の起源となることを世界で初めて実証した。

研究成果

• [雑誌論文] Photonuclear reactions triggered by lightning discharge (2017)
  • 著者名/発表者名: Enoto Teruaki、Wada Yuuki、Furuta Yoshihiro、Nakazawa Kazuhiro、Yuasa Takayuki、Okuda Kazufumi、Makishima Kazuo、Sato Mitsuteru、Sato Yousuke、Nakano Toshio、Umemoto Daigo、Tsuchiya Harufumi
  • 雑誌名: Nature 巻: 551 号: 7681 ページ: 481-484
  • DOI: 10.1038/nature24630
  • 査読あり
• [雑誌論文] On-ground detection of an electron-positron annihilation line from thunderclouds (2016)
  • 著者名/発表者名: D Umemoto, H. Tsuchiya, T. Enoto, S. Yamada, T. Yuasa, M. Kawaharada, T. Kitaguchi, K. Nakazawa M. Kokubun, H. Kato, M. Okano, T. Tamagawa, K. Makishima
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 巻: 93 号: 2 ページ: 0212011-4
  • DOI: 10.1103/physreve.93.021201
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 日本海沿岸における冬の雷や雷雲に伴う放射線観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 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、中野 俊男、楳本 大悟
  • 学会等名: 日本原子力学会 2018年春の年会
• [学会発表] 雷雲ガンマ線の観測プロジェクトと雷での光核反応の検出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 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、楳本大悟、土屋晴文
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] 落雷による光核反応の発見：地上観測による中性子と陽電子の検出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 和田有希、古田禄大、榎戸輝揚、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、楳本大悟、土屋晴文
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] 落雷による光核反応の発見：シミュレーションによるデータ解釈 (2018)
  • 著者名/発表者名: 古田禄大、和田有希、榎戸輝揚、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、楳本大悟、土屋晴文
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] GROWTH実験：10年間の継続観測に基づく冬季雷雲由来ガンマ線の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 楳本大悟, 土屋晴文, 榎戸輝揚, 湯浅孝行, 古田禄大, 奥田和史, 和田有希, 玉川徹, 岡野眞治, 川原田円, 北口貴雄, 岩田憲一, 加藤博, 国分紀秀, 牧島一夫, 中澤知洋
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 豊中市（大阪大学）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] GROWTH実験：モンテカルロシミュレーションを用いた,雷雲ガンマ線放射の広がりの解釈 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古田禄大, 楳本大悟, 中澤知洋, 奥田和史, 和田有希, 榎戸輝揚, 湯浅孝行, 土屋晴文, 牧島一夫B, and the GROWTH collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 豊中市（大阪大学）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] GROWTH実験：コリメーターを用いた、雷雲由来ガンマ線の角度分布の測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 奥田和史, 中澤知洋, 古田禄大, 和田有希, 湯浅孝行, 榎戸輝揚, 鈴木寛大, 楳本大悟, 土屋晴文, 牧島一夫, and the GROWTH collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 豊中市（大阪大学）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 雷雲電場による電子加速のガンマ線観測プロジェクト：多地点体制への新展開 (2017)
  • 著者名/発表者名: 榎戸輝揚, 和田有希, 湯浅孝行, 中澤知洋, 土屋晴文, 中野俊男, 奥田和史, 古田禄大, 楳本大悟, 牧島一夫, 鴨川仁, 瀧田正人, 米徳大輔, 澤野達哉, 渡會兼也, 米口一彦, 木村光一郎, 北野皓嗣, and the GROWTH collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 豊中市（大阪大学）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 雷雲電場による電子加速のガンマ線観測プロジェクト：小型読み出し系の開発と北陸地方における多地点運用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 和田有希, 榎戸輝揚, 湯浅孝行, 中澤知洋, 土屋晴文, 中野俊男, 奥田和史, 古田禄大, 楳本大悟, 牧島一夫, 鴨川仁, 瀧田正人, 米徳大輔, 澤野達哉, 渡會兼也, 米口一彦, 木村光一郎, 北野皓嗣, and the GROWTH collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 豊中市（大阪大学）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Initial results from a multi-point mapping observation of thudercloud high-energy radiation in coastal area of Japan sea (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Wada, Teruaki Enoto, Yoshihiro Furuta, Kazuhiro Nakazawa, Takayuki Yuasa, Kazufumi Okuda, Kazuo Makishima, Toshio Nakano, Daigo Umeomto, Harufumi Tsuchiya and the GRTOWTH Collaboration
  • 学会等名: Amerian Geophysical Union 2017 Fall Meeting
• [学会発表] GROWTH実験2014年度データを用いた雷雲ガンマ線のイベント探索法の改善 (2017)
  • 著者名/発表者名: 楳本大悟、土屋晴文、中澤知洋、湯浅孝行、榎戸輝揚、牧島一夫、古田禄大、玉川徹、伊藤伸泰
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] モンテカルロ・シミュレーションによる雷雲ガンマ線放射モデルの構築 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古田禄大、中澤知洋、楳本大悟、榎戸輝揚、湯浅孝行、土屋晴文、牧島一夫、ほかGROWTHコラボレーション
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 雷雲ガンマ線の地上観測の現状と2017年のGROWTH実験計画 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中澤知洋、榎戸輝揚、和田有希、古田禄大、楳本大悟、清野愛美、樋口裕真、湯浅孝行、土屋晴文、牧島一夫、中野俊男、他GROWTHコラボレーション
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 冬季雷雲のガンマ線測定を狙う多地点観測システムの新規開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 榎戸輝揚、湯浅孝行、和田有希、中澤知洋、土屋晴文、中野俊男、米徳大輔、澤野達哉
  • 学会等名: 日本地球惑星連合大会2016
  • 発表場所: 千葉市（幕張メッセ）
  • 年月日: 2016-05-22
• [学会発表] 雷雲ガンマ線の多地点観測に向けた検出装置の小型化と2015年度冬季における北陸地方への展開 (2016)
  • 著者名/発表者名: 和田有希、榎戸輝揚、湯浅孝行、中野俊男、中澤知洋、奥田和史、古田禄大、 楳本大悟、土屋晴文
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学大泉キャンパス
  • 年月日: 2016-03-21
• [学会発表] GRWOTH実験：2006－2015年における柏崎刈羽原発内における雷雲ガンマ線検出データの全解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 楳本大悟、土屋晴文、中澤知洋、古田禄大、奥田和史、和田有希、加藤博、湯浅孝行、榎戸輝揚、牧島一夫
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学大泉キャンパス,
  • 年月日: 2016-03-21
• [学会発表] GROWTH 実験: 雷雲起源ガンマ線放射の石川県での2014年度冬季観測結果と検出器小型化に向けた開発状況 (2015)
  • 著者名/発表者名: 湯浅孝行、榎戸輝揚、土屋晴文、米徳大輔、澤野達哉、中澤知洋、 牧島一夫、楳本大悟、古田禄大、山田真也
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 大阪市立大学
  • 年月日: 2015-09-25