約瑟夫·德懷爾的飛機錯誤地轉入雷暴雲時，這個錯誤得到了回報：這位大氣物理學家不僅飛越了一場可怕的風暴，還飛入了一片意想不到的——且神秘的——反物質薄霧中。
儘管已知強烈的風暴會產生正電子——電子的反物質版本——但德懷爾及其團隊觀察到的反物質無法用任何已知的過程來解釋，他們說。“這太奇怪了，以至於我們對這個觀察結果研究了好幾年，”德懷爾說，他在達勒姆的新罕布什爾大學工作。
飛行發生在六年前，但該團隊現在才報告結果（J. R. Dwyer et al. J. Plasma Phys.；即將發表）。“這個觀察結果是個謎，”美國宇航局馬歇爾太空飛行中心位於阿拉巴馬州亨茨維爾的物理學家邁克爾·布里格斯說，他沒有參與這份報告。
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反物質的一個關鍵特徵是，當它的一個粒子與其普通物質對應物接觸時，兩者都會立即轉化為其他粒子，這個過程被稱為湮滅。這使得反物質極其稀有。然而，長期以來人們都知道，正電子是由放射性原子的衰變和天體物理現象產生的，例如宇宙射線從外太空墜入大氣層。在過去的十年裡，德懷爾和其他人的研究表明，風暴也會產生正電子，以及高能光子或γ射線。
為了研究這種大氣γ射線，當時在墨爾本佛羅里達理工學院的德懷爾在一架灣流V型飛機上安裝了一個粒子探測器，這種飛機通常被商業主管使用。2009年8月21日，飛行員轉向雷達剖面看起來像是佐治亞海岸的方向。“但實際上，那是一連串的雷暴——我們正飛過它，”德懷爾說。飛機劇烈地來回滾動，並突然向下俯衝。“我真的以為我要死了。”
在那令人恐懼的幾分鐘裡，探測器捕捉到了三個γ射線峰值，能量為511千電子伏特，這是正電子與電子湮滅的特徵。
德懷爾和他的合作者說，每個γ射線峰值持續約五分之一秒，並伴有一些能量略低的γ射線。該團隊得出結論，這些γ射線是由於傳播了一段距離而損失了能量，並計算出飛機周圍環繞著一個短暫的正電子雲，直徑為1-2公里。但是，弄清楚是什麼產生了這樣的雲已被證明是困難的。“我們花了五年時間來模擬正電子的產生，”德懷爾說。
從帶電雲層釋放的電子加速到接近光速，並能產生高能γ射線，這些γ射線反過來可以在撞擊原子核時產生電子-正電子對。但是，該團隊沒有探測到足夠能量的γ射線來做到這一點。
另一種可能的解釋是，正電子起源於宇宙射線，宇宙射線是來自外太空的粒子，與高層大氣中的原子碰撞，產生短暫的高能粒子陣雨，包括γ射線。“總是有像毛毛雨一樣的正電子，”德懷爾說。原則上，可能存在某種機制將正電子引導到飛機上，他說。但是正電子的運動會產生其他型別的輻射，而該團隊沒有看到。
該團隊的資料是正電子的“確鑿證據”，位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心粒子物理實驗室的賈斯珀·柯克比說，他是一位粒子物理學家，負責一項研究宇宙射線和雲層形成之間可能聯絡的實驗。但“解釋需要確定下來”。他特別指出，該團隊對正電子雲大小的估計沒有說服力。
莫斯科列別捷夫物理研究所的大氣物理學家亞歷山大·古列維奇說，如果柯克比是對的，並且雲層比德懷爾團隊估計的要小，那可能意味著正電子僅在飛機附近，甚至在飛機本身上湮滅。機翼可能已經帶電，在周圍產生了極強的電場，並引發了正電子的產生。
為了回答這些和其他問題，德懷爾需要對雷暴雲內部進行新的觀測。為此，他和其他人正在將氣球直接送入最猛烈的風暴中，美國國家科學基金會甚至計劃在一架A-10“疣豬”攻擊機上飛行一個粒子探測器——這是一種可以承受極端環境的裝甲反坦克飛機。“雷暴的內部就像我們幾乎還沒有開始探索的奇異景觀，”德懷爾說。
本文經許可轉載，並於2015年5月12日首次發表。