京都大學研究發現閃電中的γ射線可能產生反物質

【本刊訊】人們對於閃電來襲前的震懾強光與轟隆作響並不陌生,淡藍色的光束充滿了神秘感,而科學家也發現閃電會導致物質與反物質湮滅(matter-antimatter annihilation)的現象。

日前,日本京都大學科學家江東輝明(Teruaki Enoto)的研究團隊在Nature 期刊發表最新研究並表示,閃電裡的γ射線如何與空氣作用產生放射性同位素(radioisotopes)或電子的反物質──正電子(positrons)。而就目前所知,雷雲與閃電會發射γ射線,研究團隊假設其會與大氣中的環境核心因素作反應。

日本西部沿海地區在冬季時非常適合觀察強力的閃電與雷雨,因此,研究團隊於2015年著手製作一系列的γ射線探測器,並將其置於沿海各處,然而實驗中卻遇到資金上的困難。為了繼續其研究並與對此研究主題感興趣的大眾有所接觸,研究團隊轉戰網路、透過《學者網》(Academist)進行募資,並向群眾解釋團隊的實驗方法以即可帶來的幫助。

受募資計劃成功鼓舞研究團隊,並於後期製作更多探測器並設置於本州北海沿岸。2017年2月時,新潟縣柏崎市(Kashiwazaki city, Niigata)幾百公尺外閃電落下後,4台偵測器記錄到大量的γ射線峰值(spike)。團隊針對數據進行分析,發現有3種不同的γ射線爆發:第一個持續不到1毫秒、第二個為γ射線的餘暉(afterglow)並在幾十毫秒內衰減,最後一波則在一分鐘內持續排放。

江東表示,第一個γ射線爆發點來自閃電打下的瞬間,而透過團隊的分析與計算發現第二個爆發點與第三波的持續排放皆為如此。閃電與大氣中的氮氣反應產生了第二波的餘暉,其中閃電所排放的γ射線有充足的能量從氮氣中撞擊中子,而大氣中的顆粒對中子重新收進而產生餘暉。

最後,中子貧乏且不穩定的氮原子分解,於湮滅事件(annihilation events)中放出正電子並與電子碰撞釋放出γ射線。研究團隊最初以為反物質僅存在於科幻片的場景裡,誰又會料想到這個事情可以在雷雨交加中被發生?江東非常感謝在《學者網》上資助團隊進行研究的群眾,而團隊成員仍維持日本沿岸設置的逾10台探測器,並持續蒐集資料,也希望能看到普通公民參與研究、擴大科學發現的範圍與可能性。


新聞來源:Teruaki Enoto, et al., Photonuclear reactions triggered by lightning discharge, Nature, 2017.

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