闪电在飓风的眼墙中向地面射出反物质

2015年飓风帕特里夏飓风袭击了墨西哥西海岸，是西半球有史以来最强烈的热带气旋。在暴风雨的极端暴力中，科学家观察到了一些新的东西：向下的正电子束，电子的反物质对应物，产生了一连串强大的伽马射线和X射线。2015年飓风帕特里夏飓风袭击了墨西哥西海岸，是西半球有史以来最强烈的热带气旋。在暴风雨的极端暴力事件中，科学家观察到了一些新的东西：向下的正电子束，电子的反物质对应物，产生了强大的伽马射线和X射线。

NOAA的飓风猎人飞机上的一台仪器检测到它的峰值强度飞过风暴的眼墙，正电子束对建造仪器的UC Santa Cruz科学家来说并不意外。但这是第一次有人观察到这种现象。

根据加州大学圣克鲁兹分校物理学教授大卫史密斯的说法，正电子束是向上的地面伽马射线闪光的向下成分，它向风暴上空的空间发射了一小段辐射。1994年，天基伽马射线探测器首次发现了地面伽马射线闪光(TGFs)。它们与闪电一起发生，现在已经被轨道卫星观测了数千次。通过TGFs的理论模型预测反向正电子束，但从未检测到。

“这是该理论预测的第一次证实，它表明TGFs通过高能辐射从上到下穿透大气层，”史密斯说。“这个事件可能是从太空中检测到的，就像几乎所有其他报告的TGFs一样，是由电子雪崩引起的向上光束。我们从下面看到它是因为一束反物质(正电子)向相反的方向发射。”

5月17日发表在“地球物理研究杂志：大气层”杂志上的这项研究的一个意想不到的暗示是，在高海拔地区使用地基仪器可以通过反向正电子束检测到许多转化生长因子。没有必要飞入飓风的眼睛。

“我们在2.5公里的高度探测到它，我估计我们的探测器可以看到它低至1.5公里。这就是丹佛的海拔高度，所以如果你有一台仪器，理论上你可以在很多地方看到它们在雷暴期间的正确时间，“史密斯说。

尽管反向正电子束得到了证实，但许多关于驱动TGFs的机制尚未得到解决。雷暴中的强电场可以使电子加速到接近光速的速度，而这些“相对论”电子在它们从大气中的原子散射时会发射伽马射线。电子还可以将其他电子从原子中撞出并将它们加速到高能量，从而产生相对论电子的雪崩。TGF是一种极其明亮的伽马射线，需要大量的相对论电子雪崩。

“这是一个非同寻常的事件，我们仍然不明白它是如何变得如此明亮，”史密斯说。

然而，正电子源是物理学中众所周知的现象，称为对产生，其中伽马射线与原子核相互作用产生电子和正电子。由于它们具有相反的电荷，它们通过雷暴的电场在相反的方向上加速。当它们与原子核碰撞时，向下移动的正电子在它们的行进方向上产生X射线和伽马射线，就像向上移动的电子一样。

“我们在飞机上看到的是向下正电子束产生的伽马射线，”史密斯说。

现在在洛斯阿拉莫斯国家实验室的第一作者格雷戈里鲍尔斯和现在在斯威夫特航海的合着者妮可凯利，他们都是加州大学圣克鲁兹分校的研究生，他们一起研究了进行检测的仪器。用于能量闪电发射的空中探测器(ADELE)标记II旨在通过测量飞机飞入或超过雷暴的飞机的X射线和伽马射线来近距离观察TGFs。

太靠近TGF可能是危险的，尽管风险随着距离源的距离而迅速下降。史密斯说，距离一公里的伽马射线剂量可以忽略不计。“这假设是风险，但可能性非常小，”他说。“我不会要求飞行员飞入雷阵雨，但如果他们要去，我会把一把仪器放在船上。”

史密斯小组是第一个使用早期仪器ADELE标记I从飞机上检测TGF的组。在这种情况下，来自TGF的向上光束在雷暴之上被检测到。在这项研究中，ADELE mark II在大西洋飓风季节期间乘坐NOAA的Hurricane Hunter WP-3D猎户座。