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相対論的暴走電子雪崩( RREA ) は、電場によって物質 (通常は空気) を通過する相対論的電子の集団が雪崩的に増加する現象です。RREA は、雷の発生[ 1 ] 、地上のガンマ線フラッシュ[ 2 ]、スプライト雷[ 3 ]、および火花の発生[ 4 ]に関連していると仮説が立てられています。RREAは、物質の誘電強度よりも 1 桁低い電場でも発生する可能性があるという点で独特です。
物質に電場が印加されると、自由電子は電子移動度によって表されるように、物質中をゆっくりとドリフトします。低エネルギー電子の場合、ドリフト速度が速いほど周囲の粒子との相互作用が多くなります。これらの相互作用は一種の摩擦を生み出し、電子の速度を低下させます。したがって、低エネルギーの場合、電子の速度は安定する傾向があります。
エネルギーが約100keVを超えると、電子の平均自由行程が長くなるため、このような衝突は起こりにくくなります。そのため、高エネルギー電子は速度が増加するにつれて摩擦力が小さくなります。同じ電場が存在する場合、これらの電子は加速を続け、「逃げ出す」ことになります。
暴走電子は電場からエネルギーを得ると、時折物質中の原子と衝突し、二次電子をはじき飛ばします。二次電子も暴走するのに十分なエネルギーを持っている場合、それらも高エネルギーまで加速し、さらに二次電子を生成します。このようにして、高エネルギー電子の総数は雪崩のように指数関数的に増加します。
図に示す動摩擦関数は、非弾性衝突によるエネルギー損失のみを考慮しており、電子エネルギーが約1.23 MeVのときに最小値約216 keV/cmとなります。しかし、より有用な閾値には、弾性衝突による電子運動量損失の影響も考慮する必要があります。その場合、解析的推定[ 5 ]では、暴走閾値が約282 keV/cmとなり、これは電子エネルギーが約7 MeVのときに発生します。この結果は、モンテカルロシミュレーションから得られた約284 keV/cm [ 6 ]および10 MeV [ 7 ]という数値とほぼ一致します。
上記の RREA メカニズムは、雪崩の成長のみを説明しています。プロセスを開始するには、最初の高エネルギー電子が必要です。大気中では、このような高エネルギー電子は通常、宇宙線から来ます。[ 8 ]電子が受ける最大摩擦力よりも強い非常に強い電場では、低エネルギー（「冷たい」または「熱的」）電子でさえ相対論的エネルギーまで加速することができ、このプロセスは「熱暴走」と呼ばれます。[ 9 ]
RREAアバランシェは一般的に電場の方向とは逆方向に移動する。そのため、アバランシェが電場領域を離れると摩擦力が支配的になり、電子はエネルギーを失い、プロセスは停止する。しかし、アバランシェによって生成された光子または陽電子がアバランシェの開始地点に戻り、第二世代のアバランシェの新たな種を生成する可能性がある。電場領域が十分に大きい場合、第二世代のアバランシェの数は第一世代のアバランシェの数を超え、アバランシェ自体の数は指数関数的に増加する。このアバランシェのアバランシェは、非常に多くの高エネルギー電子を生成する可能性がある。このプロセスは最終的に、フィードバックが可能なレベル以下に電場を減衰させ、したがって大規模な電場強度の制限として機能する。[ 6 ]
RREAで生成される大量の高エネルギー電子は、制動放射によって対応する大量の高エネルギー光子を生成します。これらの光子は、地上のガンマ線バーストの発生源として提案されています。雷雨における大規模なRREAイベントは、まれではあるものの、民間航空機の飛行に大量の放射線を照射する可能性もあります。[ 10 ]アメリカの物理学者ジョセフ・ドワイヤーはこの現象を「ダークライトニング」と名付けましたが、[ 11 ]これは現在も研究対象となっています。[ 12 ]