上空で発生した雷が引き金となって、放射性同位体である炭素14（¹⁴C）や、電子の反粒子である陽電子が生成されることは、理論的に予測されていた。このたび、京都大学の宇宙物理学者の榎戸輝揚らは、その明確な観測的証拠を得たことを、Nature 2017年11月23日号481ページで報告した¹。

1990年代以降、天文衛星によって地球からのγ線フラッシュが検出されている。このγ線フラッシュは雷に起因すると考えられている。榎戸らはこのような雷雲や雷による高エネルギー大気現象を観測しようと、新潟県柏崎市をはじめとする北陸の日本海沿岸各地にγ線検出器を設置した。日本海沿岸の冬の雷は強力なことで有名で、その上、雷雲の高度が低いためγ線が大気で吸収されにくく、比較的観測しやすいと、榎戸は言う。

2017年2月6日、落雷に伴い、柏崎刈羽原子力発電所（新潟県）内に設置した複数の検出器が通常とは異なる信号を検知した。雷をきっかけに発生した一連のγ線を検知したのだ。最初の信号は、10 MeV（メガ電子ボルト）に達する高エネルギーのγ線による1ミリ秒未満のスパイクで、続いて2番目の信号として0.1秒程度続くγ線残光が検出された。その次に決定的な証拠となる3番目の信号、すなわち0.511 MeVのγ線が検出され、その輝線は約1分間継続した。これは紛れもなく、陽電子が電子と衝突しエネルギーを放出して消滅する「対消滅」の特徴である。

検出された3種のγ線信号を合わせて考えると、ロシア連邦核センター（サロフ）の物理学者Leonid Babichが10年ほど前に提唱した雷での光核反応²の発生が指摘される。雷が作る強い電場によって光速に近い速度まで加速された電子は、γ線を放出する。Babichの説によると、このγ線の一部が大気中の窒素（¹⁴N）などの原子核と衝突することによって、中性子を弾き飛ばすという。ほとんどの中性子は、少し飛び回った後、別の窒素原子核に吸収される。中性子を受け取った原子核は、エネルギーをもらって励起状態になる。この原子核が脱励起する際、γ線を放出する。これが2番目の信号（γ線残光）として検出されたものだ。

一方、中性子を1個失った窒素原子核（¹³N）は不安定であり、10分程度の半減期で放射性崩壊して、陽電子を1個放出する。この陽電子は、即座に1個の電子と対消滅し、0.511 MeVのγ線光子2個を放出する。これが3番目の信号だと榎戸は説明する。不安定な窒素の原子核（¹³N）は10分程度で崩壊してしまうのに、検出器でこの信号を捉えられたのは、雷雲の高度が低く、しかも風向きの条件が良く、たまたま検出器の近くを通り過ぎたからだと榎戸は推測している。光核反応の検出可能性が十分に調べられていなかったのは、これらの状況がうまく重なることがめったになかったからかもしれない。研究チームはこれまでに同様の事象を数回観測しているが、今回報告した事象が今のところ最も明瞭な事象であると、榎戸は言う。

また、Babichは、γ線によって窒素から弾き出された中性子の一部は、窒素原子核を¹⁴C（通常の炭素よりも中性子が2個多い放射性同位体）に変換するだろうと予測していた。¹⁴Cは生物にも吸収され、生物の死後長期にわたってゆっくりと崩壊する。このため、¹⁴Cは放射性炭素年代測定に用いられ、考古学者にとって有用な時計となっている。

大気中の¹⁴Cは主として宇宙線によって作られると考えられてきた。しかし、原理的には、雷も¹⁴Cの供給に寄与し得ると明らかになった。ただし、全ての雷が光核反応を引き起こすかは定かではないので、雷がどの程度寄与しているかはまだはっきりしないと榎戸は言う。

「榎戸らのデータの解釈については、私も同じ見解です」と、ニューハンプシャー大学（米国ダラム）の物理学者Joseph Dwyerは言う。ただし、雷や雷雲に伴う陽電子に関する謎が、榎戸らの説明で全て解明されたわけではないとDwyerは付け加える。特に、Dwyerが2009年に調査用航空機で観測した事象は、今回の光核反応と整合しないようである。Dwyerの検出器が陽電子の特徴を検出したのはほんの1秒未満であった。核崩壊由来にしては短すぎるとDwyerは言う。またDwyerのケースでは、最初のγ線フラッシュが検出されなかった。「もしフラッシュが発生したのであれば、一目瞭然だったはずなのですが」とDwyer。

翻訳：藤野正美