[論文レビュー] Relativistic runaway electron breakdown and Terrestrial Gamma ray Flashes: GEANT4 simulation

Yu. A. Tsalkou, В. В. Тихомиров+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2013

Lightning and Electromagnetic Phenomena参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、上層大気における相対論的崩壊電子アバランチ（RREA）をGEANT4シミュレーションでモデル化し、RREAが観測値の約2.7に近い硬いスペクトル指数を示す高エネルギーガンマ線スペクトルを生成することを示した。結果から、ブレムストラール放射が、コンプトン化よりも硬い光子生成の主要メカニズムであることが明らかになった。また、スペクトル指数は高度に依存し、TGF（地球上からのガンマ線フラッシュ）の有力な発生源としてのRREAの妥当性を裏付けた。

ABSTRACT

Numerical simulation of a relativistic runaway electron breakdown in the upper atmosphere is performed using GEANT4 simulation toolkit. General features of a relativistic runaway electron avalanche are reconstructed and properties of radiations accompanying breakdown are obtained. It is demonstrated dependance of the high energy branch of photon spectra with respect to an altitude and shown what at the reasonable parameters hard photons have spectral index close to the observed value.

研究の動機と目的

• GEANT4ツールキットを用いて、上層大気における相対論的崩壊電子崩壊（RREA）をシミュレートすること。
• RREA中に生成される高エネルギー光子のスペクトル的性質とその高度依存性を調査すること。
• 特に、ブレムストラール放射とコンプトン化の違いが、TGFで観測された硬い光子成分を生成する上で果たす役割を評価すること。
• RREAが引き起こす放射線が、高高度の航空機および人工衛星システムに与える影響の可能性を評価すること。
• 将来の高精度TGF観測データのスペクトル解析を通じて、TGF発生高度を推定する基盤を提供すること。

提案手法

• RREAを誘発するに適した電場（2Ec、RREAの臨界電場の2倍）を有する、高さ2000 m、半径1000 mの円柱型大気領域（高度5000 m）をシミュレーション対象とした。
• GEANT4を用いて、電子・陽電子の対生成、イオン化、ブレムストラール放射などの粒子相互作用をモデル化した。
• シミュレーション領域上部付近に10 cmの薄い検出スライスを設置し、粒子のエネルギースペクトルと放射出力の変化を追跡した。
• 光子および電子のエネルギースペクトルを分析し、特に10 MeV以上の高エネルギー領域（Eγ > 10 MeV）のスペクトル指数sに注目した。
• 電子分布から予測される逆コンプトン散乱スペクトルと観測されたTGFスペクトルを比較することで、逆コンプトン散乱の寄与を評価した。
• 特にAGILEが報告した10 MeV以上の過剰な硬い成分を考慮し、シミュレートされたスペクトルと観測データの整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的大気条件下におけるRREAで生成される高エネルギー光子のスペクトル形状はどのようなものか？
• RQ2 RREA過程における硬い光子成分のスペクトル指数は、高度にどのように依存するか？
• RQ3 相対論的電子による逆コンプトン散乱は、観測された硬いTGFスペクトルに顕著な寄与をしていると見なせるか、それともブレムストラール放射が主因か？
• RQ4 現実の電場および大気パラメータのもとで、シミュレートされたRREA光子スペクトルは、TGFで観測された約2.7のスペクトル指数を再現できるか？
• RQ5 シミュレートされたスペクトルは、将来の高精度観測において、TGF発生高度の推定にスペクトル解析を用いることの妥当性をどの程度支持するか？

主な発見

• 5 km以上の高度（h ≳ 5 km）で、シミュレートされた高エネルギー光子スペクトルは、スペクトル指数s ≈ 2.7を示し、TGFの観測値とよく一致した。
• スペクトル指数は高度が上昇するにつれて減少し、高高度でスペクトルが平坦化する傾向を示しており、吸収・散乱の低減と整合的である。
• 100 MeV以上のエネルギー領域でも、硬い光子が明確に生成された。1 MeVを超えるエネルギー領域では、電子の数密度が相対論的カスケードを支配していた。
• 単一の逆散乱によるコンプトン化は、硬い光子の主要な供給源とはなり得ない。これは、電子スペクトル指数p ≈ 6.4を要するが、観測されたp ≈ 2.7とは矛盾するためである。
• シミュレートされたスペクトルと観測データの整合性から、RREAにおける硬い光子生成の主因はブレムストラール放射であると特定された。
• 本シミュレーションは、将来の高精度観測において、スペクトル指数の測定を用いてTGF発生高度を推定する可能性を支持する。