Onverklaarbare bliksemneutronen waargenomen

In 1985, nog in de tijd van de Sovjetunie, werd in Rusland ontdekt dat neutronendetectoren veel actiever worden als het onweert. Klaarblijkelijk komen er neutronen vrij bij onweer. Neutronen zijn instabiele deeltjes die vrijkomen bij kernreacties. Welke kernreacties vinden plaats in onweersbuien? Nieuwe waarnemingen zetten de gevestigde verklaring op losse schroeven.

Kernreacties tijdens onweersbui?
Al dertig jaar bestaat er wetenschappelijke onzekerheid over de raadselachtige neutronanomalie. In 1985 stelden Sovjetfysici vast dat elke keer dat een onweersbui over hun neutronendetector heentrok, ze een grotere neutronenflux waarnamen. Helaas waren hun instrumenten niet geschikt om de richting waar de neutronen vandaan kwamen te ontdekken, waadoor ze niet veel verder kwamen dan het verband vaststellen.

Muonen of kernreactie
Sinds dat jaar hebben wetenschappers diverse verklaringen geopperd voor de waargenomen neutronenstroom. Zo zou het volgens sommigen kunnen zijn dat de extreem sterk elektromagnetische velden die ontstaan tijdens een blinksemontlading – we praten dan over een stroomsterkte van tientallen miljoenen ampères – de zogeheten muonen van kosmische straling afbuigen. Muonen zijn instabiele, zwaardere ‘neefjes’ van elektronen, die uiteenvallen in -soms- neutronen.

Een tweede, veel interessantere verklaring is dat er kernreacties plaatsvinden tijdens bliksemontladingen. Eén van de allereerste ontwerpen voor een kernfusiereactor, de Farnsworth fusor, maakt inderdaad gebruik van een extreem hoge spanning om met behulp hiervan deuteriumkernen (deuterium is zwaar waterstof, waterstof met niet alleen een proton maar ook een neutron in de kern) op elkaar te schieten. Hierbij komen neutronen vrij.

Ook in een bliksemschicht is sprake van extreem hoge spanningen, waardoor elektronen tot een zeer hoge energie worden versneld. Hierbij komt gammastraling vrij. Deze gammastraling zou dan atoomkernen treffen en hieruit neutronen vrijmaken, aldus de tweede theorie.

Nauwkeuriger meting door meer detectoren
Nieuwe metingen laten echter zien dat de data niet kloppen met beide theorieën [1].  De Russen die de oorspronkelijek waarnemingen deden hebben nu een totaal nieuw experiment ontworpenn dat vergeleken met hun vorige resultaten veel nauwkeuriger is. Ze installeerden drie neutronendetectoren die gevoelig zijn voor lage-energie neutronen: één boven de grond, één gedeeltelijk afgeschermd in een gebouw en één ondergronds, met zwaardere afscherming.  Naast de ondergrondse detector bevond zich een traditionele neutronendetector die gevoelig is voor neutronen met hoge energie. De laatste verbetering was het rechtstreeks meten van de elektrische activiteit van overtrekkende onweersbuien met een aantal verschillende instrumenten, waardoor er een nauwkeuriger verband kan worden vastgesteld tussen de neutronenmetingen en de elektrische activiteit van de overtrekkende stormen.

De onderzoekers installeerden de vier verschillende detectoren om uit te sluiten dat kosmische straling verantwoordelijk was. Kosmische straling genereert muonen, die botsen met deeltjes vlak bij de detector, waarbij hoge-energie neutronen ontstaan. Neutronen ontstaan door bliksem, kunnen alleen de energie hebben die door de kernreactie mee wordt gegeven, waarna het neutron door vele botsingen met luchtmoleculen veel energie verliest tot het in de detector wordt geregistreerd (dus langzamer beweegt).

Kosmische straling uitgesloten
Uit de metingen blijkt dat er in alle drie lage-energie detectoren duidelijke pieken optreden op het moment dat de elektrische ontladingen in de storm plaatsvinden. Helaas meten de neutronendetectoren met een interval van één minuut, waardoor het neutronen-vormingsproces zelf niet in detail te bestuderen is. De afscherming bleek het verwachte effect te hebben, wat aantoont dat de neutronen niet in de detectoren zelf gevormd worden. In de hoge-energie neutronendetector werden minder neutronen waargenomen, maar dit was verwacht, omdat dit type detector een (zwakke) gevoeligheid voor lage-energie neutronen heeft. Kortom: de muonverklaring blijkt onjuist te zijn: kosmische straling is niet verantwoordelijk voor de neutronenpiek. De neutronen moeten dus op de een of andere manier gevormd worden tijdens de bliksemontlading. Maar hoe?

Neutronflux veel te hoog
De nieuwe detectors stelden de onderzoekers ook in staat, vast te stellen hoeveel neutronen precies vrijkwamen bij de bliksemontlading. In vorige experimenten werd aangenomen dat er gemiddeld maar één neutron per detectiegebeurtenis vrijkwam.  Dat bleek een enorme onderschatting. Uit nieuwe metingen blijkt dat per seconde maar liefst 5000 neutronen per kubieke meter worden geproduceerd. Enkele ordes van grootte meer dan door gammastraling met de bekende sterkte kan worden geproduceerd. Wat voor geheimzinnig proces zou er tijdens onweersbuien plaatsvinden?

Bronnen
1. A. V. Gurevich et al., Strong Flux of Low-Energy Neutrons Produced by Thunderstorms, Physical Review Letters, 2012