orkaan Patricia, die in 2015 de westkust van Mexico teisterde, was de meest intense tropische cycloon ooit op het westelijk halfrond. Te midden van het extreme geweld van de storm, wetenschappers hebben iets nieuws waargenomen:een neerwaartse straal van positronen, de antimaterie tegenhanger van elektronen, het creëren van een uitbarsting van krachtige gammastraling en röntgenstraling.

Gedetecteerd door een instrument aan boord van NOAA's Hurricane Hunter-vliegtuig, die met zijn hoogste intensiteit door de oogwand van de storm vloog, de positronenstraal was geen verrassing voor de wetenschappers van UC Santa Cruz die het instrument bouwden. Maar het was de eerste keer dat iemand dit fenomeen heeft waargenomen.

Volgens David Smit, een professor in de natuurkunde aan de UC Santa Cruz, de positronenbundel was de neerwaartse component van een opwaartse terrestrische gammaflits die een korte straal straling de ruimte boven de storm inzond. Terrestrische gammaflitsen (TGF's) werden voor het eerst waargenomen in 1994 door gammastralingsdetectoren in de ruimte. Ze komen voor in combinatie met bliksem en zijn nu duizenden keren waargenomen door satellieten in een baan om de aarde. Een omgekeerde positronenbundel werd voorspeld door theoretische modellen van TGF's, maar was nog nooit ontdekt.

"Dit is de eerste bevestiging van die theoretische voorspelling, en het laat zien dat TGF's de atmosfeer van boven naar beneden doordringen met hoogenergetische straling, Smith zei. "Deze gebeurtenis had vanuit de ruimte kunnen worden gedetecteerd, zoals bijna alle andere gerapporteerde TGF's, als een opwaartse bundel veroorzaakt door een lawine van elektronen. We zagen het van onderaf vanwege een straal antimaterie (positronen) die in de tegenovergestelde richting werd gestuurd."

Een onverwachte implicatie van de studie, gepubliceerd op 17 mei in de Tijdschrift voor Geofysisch Onderzoek : Sfeer , is dat veel TGF's konden worden gedetecteerd via de omgekeerde positronenstraal met behulp van grondinstrumenten op grote hoogte. Het is niet nodig om in het oog van een orkaan te vliegen.

"We ontdekten het op een hoogte van 2,5 kilometer, en ik schatte dat onze detectoren het tot 1,5 kilometer hadden kunnen zien. Dat is de hoogte van Denver, er zijn dus veel plaatsen waar je ze in theorie zou kunnen zien als je een instrument op het juiste moment op de juiste plaats had tijdens een onweersbui, ' zei Smit.

Ondanks de bevestiging van de omgekeerde positronenbundel, veel vragen blijven onopgelost over de mechanismen die TGF's aansturen. Sterke elektrische velden in onweersbuien kunnen elektronen versnellen tot bijna de lichtsnelheid, en deze "relativistische" elektronen zenden gammastraling uit wanneer ze van atomen in de atmosfeer worden verstrooid. De elektronen kunnen ook andere elektronen van atomen afstoten en ze versnellen tot hoge energieën, het creëren van een lawine van relativistische elektronen. een TGF, dat is een extreem heldere flits van gammastraling, vereist een groot aantal lawines van relativistische elektronen.

"Het is een buitengewone gebeurtenis, en we begrijpen nog steeds niet hoe het zo helder wordt, ' zei Smit.

De bron van de positronen, echter, is een bekend fenomeen in de natuurkunde dat paarproductie wordt genoemd, waarin een gammastraal interageert met de kern van een atoom om een ​​elektron en een positron te creëren. Omdat ze tegengestelde ladingen hebben, ze worden in tegengestelde richtingen versneld door het elektrische veld van de onweersbui. De naar beneden bewegende positronen produceren röntgenstralen en gammastralen in hun reisrichting wanneer ze botsen met atoomkernen, net als de opwaarts bewegende elektronen.

"Wat we in het vliegtuig zagen, zijn de gammastralen die worden geproduceerd door de neerwaartse positronenstraal, ' zei Smit.

Eerste auteur Gregory Bowers, nu in het Los Alamos National Laboratory, en co-auteur Nicole Kelley, nu bij Swift Navigation, waren beide afgestudeerde studenten aan UC Santa Cruz toen ze samenwerkten aan het instrument dat de detectie deed. De Airborne Detector for Energetic Lightning Emissions (ADELE) mark II is ontworpen om TGF's van dichtbij te observeren door röntgen- en gammastraling te meten van vliegtuigen die in of boven onweersbuien zijn gevlogen.

Te dicht bij een TGF komen kan gevaarlijk zijn, hoewel het risico snel afneemt met de afstand tot de bron. De gammastralingsdosis op een afstand van één kilometer zou verwaarloosbaar zijn, zei Smit. "Het is hypothetisch een risico, maar de kans is vrij klein, " zei hij. "Ik vraag piloten niet om in onweersbuien te vliegen, maar als ze toch gaan, zal ik een instrument aan boord zetten."

Smith's groep was de eerste die een TGF van een vliegtuig detecteerde met een eerder instrument, het ADELE-merk I. In dat geval de opwaartse straal van de TGF werd gedetecteerd boven een onweersbui. Voor deze studie is de ADELE mark II vloog aan boord van NOAA's Hurricane Hunter WP-3-D Orion tijdens het Atlantische orkaanseizoen.