从正电子与中子探测发现闪电中的光核反应
摘要
闪电和雷云是地球上最引人注目的自然粒子加速器。其中由电场加速的相对论电子发射轫致辐射伽马射线，已在地面观测、机载探测器以及来自太空的陆基伽马射线闪（TGFs）中被探测到。伽马射线的能量足够高，可能引致大气光核反应 14N(gamma, n)13N，其将产生中子并最终通过所生成的不稳定放射性同位素（尤其是 13N）的 β+ 衰变产生正电子。然而，迄今尚无该反应的明确观测证据。本文报道首次通过地面观测从闪电中探测到中子与正电子信号。在2017年2月6日日本的一次雷暴期间，一个类 TGF 的强闪（1毫秒内）在我们的监测点被探测到，该监测点距闪电 0.5-1.7 公里。随后的初始爆发迅速衰减，指数衰减常数为 40-60 毫秒，接着出现约 0.511 兆电子伏（MeV）的 prolonged 线发射，持续一分钟。初始发射的观测衰减时标与约 10 MeV 的谱截止可由中子俘获激发核的退激伽马射线很好解释。该 prolonged 线发射的中心能量对应于电子-正电子湮灭，因此是闪电后产生的正电子的决定性指示。我们对中子与正电子的探测是天然闪电引发光核反应的明确证据。地球上已知无其他自然事件会引发光核反应。这一发现将闪电定位为地球上继大气宇宙线相互作用之后仅知的第二个自然通道，其中产生了诸如 13C、14C 和 15N 等同位素。
引用
@article{arxiv.1711.08044,
title = {Photonuclear Reactions in Lightning Discovered from Detection of Positrons and Neutrons},
author = {Teruaki Enoto and Yuuki Wada and Yoshihiro Furuta and Kazuhiro Nakazawa and Takayuki Yuasa and Kazufumi Okuda and Kazuo Makishima and Mitsuteru Sato and Yousuke Sato and Toshio Nakano and Daigo Umemoto and Harufumi Tsuchiya},
journal= {arXiv preprint arXiv:1711.08044},
year = {2017}
}
备注
This manuscript was submitted to Nature Letter on July 30, 2017, and the original version that has not undergo the peer review process. See the accepted version at Nature website, published on the issue of November 23, 2017 with the revised title "photonuclear reaction triggered by lightning discharge"