Analys av data från en blixtavbildare och en liten, handhållen strålningsdetektor har oväntat kastat ljus över hur en gammastrålning från blixten kan se ut - genom att observera neutroner som genereras från marken av mycket stora kosmiska strålar. Arbetet ägde rum vid High Altitude Water Cherenkov (HAWC) Cosmic Ray Observatory i Mexiko.

"Detta var en oavsiktlig upptäckt, " sa Greg Bowers, en forskare vid Los Alamos National Laboratory och huvudförfattare till studien publicerad i Geofysiska forskningsbrev . "Vi satte upp det här systemet för att studera markbundna gammastrålningsblixtar - eller gammastrålningsskurar från blixtar - som vanligtvis är så ljusa att du kan se dem från rymden. Tanken var att HAWC skulle vara känsligt för gammastrålningsskurarna, så vi installerade en blixtavbildare för att fånga anatomin i blixtutvecklingen och lokalisera blixtprocesserna som producerar dem."

Laget, inklusive Xuan-Min Shao och Brenda Dingus också från Los Alamos, använde en liten, handhållen partikeldetektor, förväntar sig att en markbunden gammastrålningsblixt skulle generera en tydlig gammastrålningssignal i småpartikeldetektorn.

"Vårt system körde i nästan två år, och vi såg många blixtar, sade Bowers. Men under dessa stormar, de observerade inte något som såg ut som terrestra gammablixtar. "Vi gjorde, dock, se stora räknefrekvensskurar under klart, dagar med fint väder, vilket fick oss att klia oss i huvudet."

HAWC-data som samlats in under dessa tider visade att, i varje fall, den stora samlingen som består av HAWC hade överväldigades av extremt stora kosmiska strålar - så stora att Los Alamos-forskarna inte kunde uppskatta deras storlek.

UC Santa Cruz-samarbetspartner David Smith fann att dessa skurar i vackert väder tidigare hade observerats av forskare i Ryssland, som kallade dem "neutronsprängningar, " och fastställde att de var resultatet av neutronproduktion i jorden runt islagspunkten för kosmiska strålar duschkärnor.

Tidigare arbete som simulerade dessa händelser hade bara beaktat hadroner - en typ av subatomära partiklar - i kärnan av skurarna. Förutom hadroner och andra partiklar, duschkärnor med kosmisk strålning innehåller också mycket gammastrålar.

För detta arbete, William Blaine, även av Los Alamos, simulerade stora kosmiska strålskurar, och inkluderade både hadroner och gammastrålar. "Vi kunde matcha våra observationer med simuleringarna, " sa Bowers. "Vi fann att gammastrålar producerar samma typ av neutronutbrott som hadronerna."

Denna studie tyder på att alla naturfenomen som producerar en stråle av gammastrålar pekade mot marken (såsom nedåtriktade terrestra gammastrålningsblixtar), skulle kunna producera en liknande "neutronburst"-signatur. Detta är viktigt för framtida ansträngningar för modellering av gammastrålningsobservationer på marken.

"Det säger oss att du inte bara kan modellera gammastrålningen som träffar din detektor, du måste också tänka på neutronskuren som händer i närheten, sa Bowers.

HAWC-observatoriet består av en rad vattenfyllda tankar högt på flankerna av vulkanen Sierra Negra i Puebla, Mexiko, där den tunna atmosfären ger bättre förutsättningar för att observera gammastrålar. När gammastrålar träffar molekyler i atmosfären producerar de regnskurar av energiska partiklar. När några av dessa partiklar träffar vattnet inuti HAWC-detektortankarna, de producerar ljusblixtar som kallas Cherenkov-strålning. Genom att studera dessa Cherenkov-blixtar, forskare rekonstruerar källorna till skurarna för att lära sig om partiklarna som orsakade dem.