In hevige onweersbuien komen zulke hoge elektrische velden voor, dat er hoogenergetische straling – zoals röntgen- en gammastraling – kan worden opgewekt. Er kan zelfs antimaterie ontstaan. De zeer complexe wisselwerking tussen hoge elektrische velden en deeltjes in onweersbuien was tot nu toe theoretisch niet goed beschreven. Christoph Köhn, promovendus van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam, modelleerde en simuleerde deze processen op een nieuwe manier. Op dinsdag 28 oktober 2014 promoveerde hij aan de Technische Universiteit Eindhoven op zijn proefschrift 'High-energy phenomena in laboratory and thunderstorm discharges'. In zijn onderzoek berekent hij onder andere voor het eerst hoe bliksem deeltjes kan creëren zoals positronen – antimaterie – en neutronen en protonen.
Natuurlijke deeltjesversneller
In 2011 werd toevallig door een satelliet voor het eerst antimaterie gedetecteerd die in sterke onweersbuien was ontstaan. Die antimaterie bestond uit positronen – de antideeltjes van elektronen. Al eerder was vanuit satellieten en vliegtuigen het ontstaan gemeten van röntgen- en gammastraling (straling met de hoogste energie op aarde, die anders voornamelijk in radioactief verval vrijkomt) bij bliksem. “Het is om verschillende redenen niet goed om boven onweer te vliegen, en deze straling is er een van”, aldus de promovendus. “We begrijpen nu dat bliksem een natuurlijke deeltjesversneller is. Toch hoeven mensen zich niet direct grote zorgen over de straling te maken. Als er een heftige bliksemschicht recht op je afkomt, zijn er andere problemen om je eerst over te bekommeren.”
Tijdens zijn onderzoek berekende de promovendus als een van de eersten kwantitatief hoe de productie van een veelheid aan deeltjes – elektronen, fotonen, positronen, protonen en neutronen – bij bliksem in zijn werk gaat. Zijn modellen en simulaties komen goed overeen met experimenten.
“Onze simulaties zijn beter dan die van de concurrenten”, aldus Köhn. “We modelleerden de productie en beweging van deze deeltjes met een techniek waarmee individuele deeltjes kunnen worden gevolgd. We gebruikten speciale wiskundige methodes en hebben nieuwe factoren aan de berekeningen toegevoegd. Het bijzondere van onze methode is dat hij niet alleen de elektronbeweging voor heel hoge of juist heel lage energieën beschrijft maar ook voor het tussenliggende gebied. Dat laatste is echt nieuw. Wij laten daarmee bijvoorbeeld zien dat er behoorlijk veel positronen met energieën van enkele MeV worden geproduceerd, die enkele kilometers boven hun bron kunnen worden gemeten. Dus als je de volgende keer bliksem ziet, dan kun je op je vingers natellen dat er ook antimaterie ontstaat.”
Köhn deed zijn onderzoek in de CWI-onderzoeksgroep Multiscale Dynamics van 'bliksemprofessor' Ute Ebert. Het onderzoek werd mede gefinancierd door STW.
Meer informatie:
- http://homepages.cwi.nl/~koehn/phd_thesis/index.html
- https://www.cwi.nl/research-groups/Multiscale-Dynamics
- http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-12158718
Illustratie: Creatie van hoogenergetische elektronen door bliksem. In kleur de elektrondichtheid in een plat vlak; in zwart de leader. Bron: Christoph Köhn (CWI).
