近日，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）的科研人员，在国际核物理权威期刊《Physics Letters B》上发表最新研究成果。研究团队首次建立了涡旋γ光子诱导锕系核素光致裂变的理论模型，并创新性地提出了一种诊断涡旋光子特征的新方法，为光核反应研究与涡旋γ射线束诊断提供了崭新路径。

携带着轨道角动量的涡旋光子，为光与物质相互作用提供了全新的调控维度，近年来在光学、天体物理及原子物理等领域备受关注。在核物理领域，已有研究表明涡旋γ光子能够有效调控原子核的巨共振激发。然而，这种新型光子能否显著影响原子核的裂变行为，一直是一个悬而未决的问题。同时，由于γ光子波长极短且非相干，对其“涡旋特性”的高效诊断也是一项国际高度关注的技术难题。

针对上述挑战，罗文教授团队与合作者创造性地将涡旋光子与原子核的相互作用形式与Hauser-Feshbach复合核统计理论相结合，构建了适用于微观单核与宏观靶材的涡旋光致裂变反应截面计算模型。基于该模型，系统计算了包括²³²Th、²³⁵U、²³⁸U及²³⁹Pu在内的典型锕系核素在涡旋γ光子束下的裂变截面，分析了碰撞参数b和极角θ_k对锕系核素裂变截面增强效应的影响。结果表明，涡旋光子的参数对核裂变反应截面具有显著的调控作用，见图1和图2。譬如，当涡旋光子的总角动量投影为m_γ=4、极角为θ_k=71°且碰撞参数b=10 fm时，²³⁸U的裂变截面相较于传统平面波光子情形增强了约12倍（光子能量为6 MeV处），对于其他锕系核素的增强因子也可达3至14倍。研究进一步揭示了这种增强效应主要源于涡旋光子对特定电四极（E2）多极性跃迁通道的选择性放大。

图1.(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。

图2.碰撞参数b和极角θ_k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，其中输入参数m_γ=4，E_γ= 8 MeV，λ=1。

更值得关注的是，研究团队基于对宏观靶裂变产物的系统分析，创新提出了一种基于裂变碎片的产额信息来反推涡旋光子极角参数的诊断方案。其核心思路是通过测量包含涡旋与平面波成分的混合光子束，与纯平面波光子束分别轰击靶材后产生的同一特征裂变碎块（如¹³⁸Cs）的产额比r_Y，即可利用理论推导的简单关系式r_Y≈2-cosθ_k获得涡旋光子的极角参数。研究团队依托前期自主开发的Geant4-GFDPO模拟程序[Chin. Phys. C 46, 084102 (2022)；Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 1062, 169222 (2024)]，合理考虑涡旋光致核裂变截面的增强效应后，预测了六种锕系核素靶材在不同条件下的裂变碎片质量和电荷产额分布，获得了裂变碎片退激产生的特征γ射线谱，提取了不同极角以及不同锕系核素宏观靶条件下的特征峰净计数比（见图3）。研究发现基于产额比的反推值与理论值在统计误差范围内是吻合的；在当前统计条件下，该方法适用于极角θ_k>18°的涡旋光子情况，且诊断精度随极角增大而提高。

图3.(a)²³⁸U退激γ谱中¹³⁸Cs特征峰净计数比随极角θ_k的变化关系，并与理论产额比r_Y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。

该研究不仅首次从理论上证实了涡旋光对锕系核裂变反应的显著调控能力，其提出的诊断方法也为未来实验中对涡旋γ射线的表征提供了一种切实可行的技术路径，有望在核结构与天体核合成、核数据与先进核能、医用同位素产生等领域展现出广阔的应用前景。

罗文教授指导的硕士生赵凯鑫为论文第一作者，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、国际原子能机构协调研究项目等多个基金项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.physletb.2026.140735

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