南华大学核科学技术学院罗文教授团队在涡旋光核裂变理论及其特征诊断研究方面取得新进展

近日，我院罗文教授团队在国际核物理权威期刊《Physics Letters B》(中科院二区，IF5.0)上发表题为“Vortex-Photon Induced Actinide Fissions: Theoretical Prediction and Application to Vortex Characteristic Diagnostics”的学术论文。

光致裂变既是探索原子核裂变机制的重要基础课题，也在核废料处理与稀有同位素生产等应用领域发挥着关键作用。携带轨道角动量的涡旋光子为光与物质相互作用引入了新的调控自由度，已在光学物理、天体物理及原子物理等多个学科中展现出开拓性研究前景。在核物理领域，近期研究表明涡旋γ光子能够有效调控原子核的巨共振激发过程。然而，这一发现随之提出了一个亟待回答的问题：对于光核反应中的裂变反应道，其反应截面是否同样受到涡旋光子的调控影响?另一方面，受限于γ光子自身非相干性及其极短波长，对其涡旋特征的实验诊断仍是当前面临的一项重大技术挑战。

图1.涡旋光核裂变示意图。其中，b是碰撞参数(涡旋光束轴与原子核之间的横向距离)。

针对上述难题，南华大学核科学技术学院罗文教授团队联合欧洲极端光基础设施(ELI-NP)研究团队，率先开展了涡旋光核裂变理论研究。团队结合先前的涡旋光核相互作用理论与Hauser-Feshbach复合核统计框架，发展了适用于微观及宏观靶的涡旋光核裂变理论模型，模型示意图如图1所示。

图2.(a)-(d)232Th、235U、239Pu和241Am的涡旋光核裂变截面以及平面波光子作用下的裂变截面实验数据。这里，λ=1，b=10 fm。

利用该模型，团队计算了232Th、235U、238U、239Pu等核素的涡旋光核裂变截面，结果如图2所示。研究发现，特定参数的涡旋光子可显著增强光致裂变截面。当总角动量投影mγ=4、极角θk=71°、碰撞参数b=10 fm时，截面相较平面波情形增强约3至14倍，这一增强主要源于涡旋光子对特定多极性跃迁的放大效应。此外，图3进一步展示了涡旋光子参数和碰撞参数对截面增强效应的影响：近轴区域(b<50 fm)增强效应受b影响较为明显，而远离涡旋轴后则主要取决于θk。

图3.碰撞参数b和极角θk对235U(a)和238U(b)裂变截面增强效应的影响，r为涡旋光核裂变与平面波光核裂变截面之比。这里，mγ=4，Eγ= 8 MeV，λ=1。

在此基础上，团队创新提出了一种基于裂变可观测量诊断涡旋γ光子的方法，为解决其特征诊断难题提供了重要支撑。该方法通过测量含涡旋光子的混合光束与纯平面波光束所诱发裂变碎片的产额比，提取涡旋参数θk。依托课题组前期开发的Geant4-GFDPO程序[Chin. Phys. C 46, 084102 (2022);Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 1062, 169222 (2024)]开展光致裂变模拟(结果如图4所示)，团队检验了不同极角及多种锕系核素宏观靶条件下的诊断效果，各条件下净计数比均与理论预期吻合，充分验证了该方法的可行性。

图4.(a)238U退激γ谱中138Cs特征峰净计数比随极角θk的变化关系，并与理论产额比rY进行对比;(b)六种锕系核素靶的138Cs峰净计数比及其对应测量时间。入射光子能量为14 MeV。

南华大学核科学技术学院硕士研究生赵凯鑫为论文第一作者，南华大学罗文教授、李志才副教授和欧洲ELI-NP徐毅研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等多项科研项目的支持。