雷や雷雲中の電子加速に由来する光核反応の検証

• 研究課題/領域番号: 18H01236
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 土屋 晴文 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究副主幹 (70415230)
• 研究分担者: 鳥居 建男 福島大学, 環境放射能研究所, 特任教授 (20421795) ; 中澤 知洋 名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 准教授 (50342621)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2019年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2018年度: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円)
• キーワード: 粒子加速 / ガンマ線計測 / 中性子計測 / 雷 / 雷雲 / 光核反応 / 放射線計測 / 即発ガンマ線 / 中性子

研究成果の概要

雷や雷雲が医療の現場にあるX線発生装置と同様な仕組み（制動放射）でX線を発生させる。加えて、近年では雷で発生した高エネルギー制動放射線が原子核とぶつかり、中性子をはじき出す光核反応を起こすことも明らかになった。本研究では光核反応を引き起こすガンマ線閃光の詳細を調べた。その結果、約100京個の高エネルギー電子がガンマ線閃光の発生に寄与し、光核反応で発生した中性子は発生点から1 kmにわたり広がり、その減衰時間が50ミリ秒ほどと推定された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

雷の発生にあわせてガンマ線閃光が発生する。それゆえ、ガンマ線閃光の発生メカニズムを理解することは雷の発生メカニズムの解明にもつながると考えられている。本研究により、その発生に約100京個の電子が寄与していることが分かり、今後の雷の発生モデルの構築に資すると期待される。また、多くのガンマ線閃光が光核反応を起こすことも明らかになった。雷による光核反応の詳細を理解することは、炭素14年代測定や初期地球大気における元素生成などの研究にも影響を与える可能性もある。

研究成果

• [雑誌論文] Meteorological Aspects of Gamma‐Ray Glows in Winter Thunderstorms (2021)
  • 著者名/発表者名: Wada Y.、Enoto T.、Kubo M.、Nakazawa K.、Shinoda T.、Yonetoku D.、Sawano T.、Yuasa T.、Ushio T.、Sato Y.、Diniz G. S.、Tsuchiya H.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 号: 7 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1029/2020gl091910
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photonuclear Reactions in Lightning: 1. Verification and Modeling of Reaction and Propagation Processes (2020)
  • 著者名/発表者名: Wada Y.、Enoto T.、Nakazawa K.、Odaka H.、Furuta Y.、Tsuchiya H.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 125 号: 20 ページ: 1-17
  • DOI: 10.1029/2020jd033193
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photonuclear Reactions in Lightning: 2. Comparison Between Observation and Simulation Model (2020)
  • 著者名/発表者名: Wada Y.、Enoto T.、Nakazawa K.、Yuasa T.、Furuta Y.、Odaka H.、Makishima K.、Tsuchiya H.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 125 号: 20 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1029/2020jd033194
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thundercloud Project: Exploring high-energy phenomena in thundercloud and lightning (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuasa Takayuki、Wada Yuuki、Enoto Teruaki、Furuta Yoshihiro、Tsuchiya Harufumi、Hisadomi Shohei、Tsuji Yuna、Okuda Kazufumi、Matsumoto Takahiro、Nakazawa Kazuhiro、Makishima Kazuo、Miyake Shoko、Ikkatai Yuko
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2020 号: 10 ページ: 1-27
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa115
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Photoneutron detection in lightning by gadolinium orthosilicate scintillators (2020)
  • 著者名/発表者名: Wada Y.、Nakazawa K.、Enoto T.、Furuta Y.、Yuasa T.、Makishima K.、Tsuchiya H.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 101 号: 10 ページ: 102007-102007
  • DOI: 10.1103/physrevd.101.102007
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Peak‐Current Lightning Discharges Associated With Downward Terrestrial Gamma‐Ray Flashes (2020)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 125 号: 4
  • DOI: 10.1029/2019jd031730
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gamma-ray glow preceding downward terrestrial gamma-ray flash (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 2 号: 1 ページ: 67-67
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0168-y
  • NAID: 120006647300
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gamma-ray observations at the coastal area of Japan Sea in winter seasons (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tsuchiya,, T. Enoto, Y. Wada, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, D. Umemoto, K. Makishimai, and the GROWTH collaboration
  • 雑誌名: Proc. 2019 ICRC 巻: 1163 ページ: 1-6
• [雑誌論文] Downward Terrestrial Gamma-Ray Flash Observed in a Winter Thunderstorm (2019)
  • 著者名/発表者名: Wada Y.、Enoto T.、Nakazawa K.、Furuta Y.、Yuasa T.、Nakamura Y.、Morimoto T.、Matsumoto T.、Makishima K.、Tsuchiya H.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 123 号: 6 ページ: 061103-061103
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.061103
  • NAID: 120007185892
  • 査読あり
• [雑誌論文] 雷放電が拓く高エネルギー大気物理学 (2019)
  • 著者名/発表者名: 榎戸輝揚、和田有希、土屋晴文
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 74 ページ: 192-200
  • NAID: 130007703185
• [雑誌論文] Termination of Electron Acceleration in Thundercloud by Intracloud/Intercloud Discharge (2018)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 号: 11 ページ: 5700-5707
  • DOI: 10.1029/2018gl077784
  • NAID: 120006488573
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multi-point Measurement Campaigns of Gamma Rays from Thunderclouds and Lightning in Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: Enoto T., Wada Y., Furuta Y., Nakazawa K., Yuasa T., Okuda K., Makishima K., Sato M., Sato Y., Nakano T., Umemoto D., Tsuchiya H., Kamogawa M., Bowers G., Smith D., Morimoto T., Nakamura Y., Daohong Wang
  • 雑誌名: Proceedings of XVI International Conference on Atmospheric Electricity 巻: - ページ: 1-13
  • 国際共著
• [学会発表] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロ ジェクト：2020年度における電子加速 域の高度測定の試み (2021)
  • 著者名/発表者名: 久富章平, 中澤知洋, 辻結菜, 伊神勇作, 小谷大貴, 榎戸輝揚, 和田有希, 湯浅孝行, 古田禄大, 土屋晴文, 一方井祐子, 三宅晶子
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 雷雲プロジェクト：シチズンサイエンスも活用した高エネルギー大気物理現象の観測網 (2020)
  • 著者名/発表者名: 榎戸輝揚, 和田有希, 久富章平, 辻結菜, 中澤知洋, 湯浅孝行, 一方井祐子, 三宅晶子, 土屋晴文
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト：モニタリングポストによる2014年12月に観測されたロングバーストの長距離追跡 (2020)
  • 著者名/発表者名: 辻結菜, 中澤知洋, 久富章平, 榎戸輝揚, 和田有希, 湯浅孝行, 古田禄大, 土屋晴文, 楳本大悟, 篠田太郎, 加藤雅也
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 雷活動に関するガンマ線の観測プロジェクト： 2020年1月に近接して発生した複数のロングバーストの同時途絶の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 久富章平, 中澤知洋, 辻結菜, 榎戸輝揚, 和田有希, 湯浅孝行, 土屋晴文, 篠田太郎, 一方井祐子, 三宅晶子
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] Observations of energetic radiation due to thunderstorms at an altitude of 4300 m (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya H., Hibino K., Kawata K., Ohnishi M.
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト：2019年度の多地点観測の進展 (2020)
  • 著者名/発表者名: 久富章平, 中澤知洋, 辻結菜, Alexia Fabiani, 榎戸輝揚, 和田有希, 古田禄大, 土屋晴文, 湯浅孝行, 一方井祐子, 三宅晶子
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト：ロングバーストの追跡と電子弁別機能の追加 (2020)
  • 著者名/発表者名: 辻結菜, 中澤知洋, 久富章平, Alexia Fabiani, 榎戸輝揚, 和田有希, 湯浅孝行, 古田禄大, 土屋晴文
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 和田有希, 榎戸輝揚, 中澤知洋, 古田禄大, 湯浅孝行, 森本健志, 中村佳敬, 松元崇弘, 牧島一夫, 土屋晴文
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Estimated Number of Avalanche Electrons in a Downward TGF during Winter Thunderstorms (2019)
  • 著者名/発表者名: Wada, Y, Enoto T., Nakazawa K., Furuta Y., Yuasa T., Nakamura Y., Morimoto T., Matsumoto T., Makishima K., Tsuchiya H.
  • 学会等名: 21st Eouropean Geophysical Union General Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] Gamma-ray observations at the coastal area of Japan Sea in winter seasons (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tsuchiya,, T. Enoto, Y. Wada, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, D. Umemoto, K. Makishimai, and the GROWTH collaboration
  • 学会等名: 36th International Cosmic Ray Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Simultaneous detection of gamma-ray glow and downward terrestrial gamma-ray flash (2019)
  • 著者名/発表者名: Wada Y, Enoto T., Nakamura Y., Furuta Y., Yuasa T., Nakazawa, K., Morimoto T., Sato M., Matsumoto T., Yonetoku D., Sawano T., Sakai H., Kamogawa M., Ushio T., Makishima K., Tsuchiya H.
  • 学会等名: American Geophysical Union, Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト：ロングバーストの電子加速器の高度の観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中澤知洋, Fabiani Alexia, 和田有希, 榎戸輝揚, 古田禄大, 土屋晴文, 湯浅孝行, 牧島一夫
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会（2019年）
• [学会発表] 雷ガンマ線観測：2018年度における冬の柏崎でのコリメータ付きガンマ線検出器の観測結果と夏の東京スカイツリーでの観測の試み (2019)
  • 著者名/発表者名: 中澤 知洋、松元 崇弘、和田 有希、Fabiani Alexia、榎戸 輝揚、奥田 和史、古田 禄大、會澤 優輝、湯浅 孝行、土屋 晴文、佐藤 光輝、牧島 一夫
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 和田 有希、榎戸 輝揚、松元 崇弘、中澤 知洋、古田 禄大、湯浅 孝行、土屋 晴文、米徳 大輔、澤野 達哉、牧島 一夫、鴨川 仁、中村 佳敬、森本 健志、佐藤 光輝、酒井 英男、南戸 秀仁、牛尾 知雄
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本原子力学会 2019年春の学会
• [学会発表] 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・電波との共同観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回 年次大会
• [学会発表] 雷活動に由来するガンマ線の観測プロジェクト: ロングバーストのフラックス較正とスペクトル系統解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松元崇弘, 和田有希, 古田禄大, 中澤知洋, 榎戸輝揚, 湯浅孝行, 土屋晴文, 牧島一夫, 小高裕和, 馬場彩, 米徳大輔, 澤野達哉
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回 年次大会
• [学会発表] A gamma-ray glow terminated by leader development of an inter-cloud discharge in Japanese winter thunderstorm (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: European Geoscience Union General Assembly 2018
  • 国際学会
• [学会発表] T. Enoto, Y. Wada, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, K. Okuda, K. Makishima, M. Sato, Y. Sato, T. Nakano, D. Umemoto, H. Tsuchiya (2018)
  • 著者名/発表者名: Ground-based high-energy radiation measurement of photonuclear reaction triggered by lightning discharge
  • 学会等名: European Geoscience Union General Assembly 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 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 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松元崇弘, 和田有希 , 古田禄大 , 中澤知洋 , 榎戸輝揚 , 湯浅孝行 , 土屋晴文 , 牧島一夫 , 小高裕和 , 馬場彩, 米徳大輔 , 澤野達哉
  • 学会等名: 日本物理学会 2018秋季大会
• [学会発表] High-Energy Radiation Phenomena from Winter Thunderstorms and Lightning In Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Enoto, Y. Wada, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, K. Makishima, M. Sato, Y. Sato, D. Umemoto, H. Tsuchiya, G. S Bowers, M. Kamogawa, Y. Nakamura, T. Morimoto, D. Smith
  • 学会等名: American Geophysical Union (AGU) fall meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Lightning-Triggered Termination of a Gamma-ray Glow in a Japanese Winter Thunderstorm (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: American Geophysical Union (AGU) fall meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Recent Updates from Mapping Observation of High-Energy Phenomena In Japanese Winter Thunderstorms (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Wada, T. Enoto, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, T. Matsumoto, D. Umemoto, K. Makishima, H. Tsuchiya
  • 学会等名: TEPA2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent status of the GROWTH experiment -Gamma-ray observations at the coastal area of Japan Sea - (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Tsuchiya
  • 学会等名: 23rd Workshops on Radiation Monitoring for the International Space Station
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multipoint Measurement Campaigns of Gamma rays from Thundercloud and Lightning in Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Enoto, Y. Wada, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, K. Okuda, K. Makishima, M. Sato, Y. Sato, T. Nakano, D. Umemoto, H. Tsuchiya, M. Kamogawa, G. Bowers, D. Smith, T. Morimoto, Y. Nakamura
  • 学会等名: 2018国際大気電気学会
  • 国際学会
• [図書] パリティ (2018)
  • 著者名/発表者名: 榎戸輝揚，中澤知洋
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: 丸善出版
• [備考] 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.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2018/5907/