Energy-Resolved Spin and Parity Distributions of Fission Fragments
本文提出了首个关于 Pu 核裂变碎片自旋与宇称分布的微观、能量分辨模拟，揭示了其随激发能呈现的非单调演化过程，并展示了这些分布如何在无需调节参数的情况下预测瞬发光子多重数。
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核裂变是一个重原子（如铀或钚）分裂成两个较轻碎片的物理过程。几十年来，科学家们一直知道，当这种情况发生时，这两个被称为“碎片”的结果物并不仅仅是飞散开来，它们还会像微小的陀螺一样快速旋转。这种旋转是一个谜，因为原始原子通常本身几乎没有自旋。理解这种自旋是如何产生的至关重要，原因有几点：它有助于解释重元素是如何在中子星的剧烈碰撞中产生的；它通过预测释放了多少热量，提高了核反应堆的安全性和效率；它还有助于探测隐藏的核材料。然而，虽然科学家们已经测量了碎片的平均自旋，但尚未完全理解随着触发分裂的入射粒子能量增加，这种自旋是如何变化的，也尚未掌握支配碎片自旋与对称性的精确规则。
研究团队现在利用先进的计算机模拟，观察了这一分裂过程从开始到结束的全过程，揭示了碎片自旋和对称性的演变方式。通过对由不同能量的中子触发的钚-239裂变进行建模（中子能量范围从极低的低热能水平到1000万电子伏特），他们发现碎片的自旋并非随机产生的。相反，它与分裂瞬间原子核被拉伸的程度紧密相关。随着入射中子能量的增加，原子核在断裂前会被拉伸得更长，而这种额外的拉伸直接导致了碎片旋转得更快。研究人员发现，这种关系对于单个碎片同样成立，这意味着原子核在破裂瞬间的形状决定了它所产生的碎片的自观。
这项研究还探讨了一个关于碎片对称性的长期假设。在许多标准模型中，科学家假设碎片具有“正”或“负”对称性的概率是相等的，这种性质被称为宇称，就像抛硬币一样。新的模拟显示，这种假设是不正确的，尤其是在较低能量的情况下。在热能水平下，碎片表现出对其中一种对称性的强烈偏好，并且即使随着能量增加，这种偏好仍与它们的自旋保持联系。只有在高能量下，对称性才开始看起来更加随机，但即便如此，自旋与对称性之间的联系依然存在。这一发现表明，现有的预测碎片衰变的标准方法缺失了关键的一块拼图。
为了测试这些新发现的重要性，研究人员将他们详细的自旋和对称性数据输入到一个用于预测碎片释放能量的标准计算机代码中。当他们使用这种新的、更精确的微观数据而非旧的简化公式时，预测的碎片发射伽马射线数量发生了显著变化。新数据预测在热能水平下的伽马射线数量比旧模型预测的要多得多，并且展示了随着中子能量增加时，该数量增长的不同模式。这表明，那些为了匹配过去实验而经过调优的旧公式，可能需要重新校准，以解释碎片真实的、复杂的行为。
研究人员通过模拟整个裂变事件来实现这一点，从原子核的初始状态开始，经过分裂时刻，最后到碎片的衰变。他们不仅观察了最常见的结果，还追踪了原子核可能采取的数千种不同路径。他们发现，随着能量上升，产生的不同类型碎片的数量也会增加，填补了在较低能量时存在的空白。至关重要的是，他们观察到碎片的自旋并不是随着入射中子的能量呈简单的直线增长。相反，自旋首先快速上升，然后增长速率放缓，并最终趋于平缓。这种趋于平缓是因为无论再增加多少能量，原子核在断裂前能达到的拉伸程度都有一个极限。
这项工作提供了关于裂变碎片自旋和对称性分布的首个详细的、随能量变化的图谱。它超越了简单的平均值，转而展示这些特性如何随每一个特定的碎片类型而变化。结果表明，驱动自旋的机制是破裂瞬间原子核的几何形状，而非其他隐藏因素。通过证明自旋是原子核形状的直接结果，该研究为正在发生的物理过程提供了更清晰的图像。研究结果还强调，当前模型中关于随机对称性的假设是一个显著的过度简化，这影响了我们准确预测核行为的能力。
这些结果的影响延伸到了核科学家和工程师所使用的工具领域。模拟碎片衰变的统计代码依赖于关于自旋和对称性的输入。研究表明，使用这些新的、详细的微观输入会改变对可观测量（如发射的光子数量）的预测。这表明，目前模型中那些为了拟合旧数据而调整过的参数，可能需要更新，以反映裂变过程真实的物理机制。虽然模拟技术非常强大，但研究人员指出，未来仍需要实验来证实这些具体的预测，特别是关于自联不同质量碎片的自旋变化情况。这项研究为实现对核裂变更精确的理解开辟了道路，用基于物理的详细描述取代了对碎片行为的猜测。
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