核裂变(原子核分裂成两个并释放能量)似乎是一个已被充分理解的过程。核裂变于 1939 年首次被发现，此后一直受到深入研究，是现代生活中不可或缺的因素，从核医学到发电核反应堆，它无所不在。然而，它是一种自然力量，仍有一些未解之谜。
来自华盛顿大学西雅图分校和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员，利用美国能源部橡树岭国家实验室的 Summit 超级计算机，解答了有关裂变的最大疑问之一：原子核分裂成两个时，“颈部断裂”过程中究竟发生了什么?
在过去的 85 年里，物理学家提出了各种理论模型来解释核颈断裂背后的裂变动力学。最早的裂变类比是“液滴”理论，由莉泽·迈特纳和奥托·弗里施首次提出，随后尼尔斯·玻尔和约翰·惠勒于 1939 年提出。该理论将原子核描述为带电流体球体——当被中子或质子等粒子击中时，原子核分裂成两个碎片，中间有一个核颈。一旦核颈伸展到断裂点并断裂，就会发出粒子“飞溅”，从而释放能量。
分裂中子(即在核裂变的最后阶段发射的中子，具体来说是在原子核分裂并分裂成两个或多个较小原子核的那一刻)理论上是颈部破裂时发射的粒子之一。然而，由于缺乏分裂中子存在的确凿实验证据，它们的确切特性一直存在争议。
但华盛顿大学物理学教授奥雷尔·布尔加克领导的团队首次对核颈部破裂进行了完全微观的量子多体模拟，并对其裂变动力学进行了迄今为止最准确的描述。该团队的惊人结果揭示了一种与之前的一些假设不一致的裂变机制。
“这可能是最精确、最仔细的颈部破裂理论描述，没有任何假设和简化，”布尔加克说。“我们有一个非常具体的预测，到目前为止还不存在。以前的理论总是基于&luo;让我们假设这种情况正在发生，如果正在发生，那么很可能会看到这种情况。&ruo;我们没有这样做。我们只是代入了几十年来核物理学中已知的高精度运动方程，加上量子力学，没有其他。”
该团队(包括洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Ibrahim Abdurrahman 和 Ionel Stetcu 以及华盛顿大学的 Matthew Kafker)取得了几项重要发现。
首先，颈部断裂并非像之前现象学模型所论证的那样是一个随机过程。相反，在核密度中，颈部最终形成的位置和核断裂的位置早在核断裂之前就已确定。
其次，质子颈比中子颈更早完成断裂，导致在完全断裂之前，质子颈大部分由中子支撑。
第三，破裂是裂变动力学中最快的阶段，从入射中子的俘获、复合核的形成开始，直到所有裂变碎片都被发射出去。
第四，无论初始条件如何，颈部衰变动力学都表现出不对称裂变的普遍性。质子和中子颈部断裂对所有轨迹都是相同的，这与裂变过程的任何其他结果不同。
最后，该团队的研究结果表明，裂变中子确实存在，它们携带着裂变释放的大量能量。此外，该团队的模拟描述了它们的角度分布，或者它们以何种能量发射的方向。此前，物理学家不确定在哪里可以找到发射的裂变中子，也不确定由于其他中子的存在，预计会有多少裂变中子。
“有人说它们存在，也有人说它们不存在。我们看见它们，我们看不见它们，等等。大多数实验都是沿着裂变碎片的运动方向寻找它们，但他们无法在那里区分裂变中子，因为它们大多数都是热碎片发射的热中子，”布尔加克说。
研究小组的模拟发现，裂变中子以两种截然不同的方式发射。在裂变时，中子向侧面发射。当原子核的两个碎片水平移动时，中子在垂直于水平轴的平面上发射。同时，当颈部折断时，它会向另一侧出现的原子核发送一波物质。这形成了来自裂变碎片“鼻子”的另外两团云。
“在我们把所有东西放在一起并进行模拟后，我们发现了一些完全出乎意料的事情：中子从侧面出来，然后朝着移动碎片的方向。这些不同的光谱是早期模型都没有预测到的。此外，它们的能量非常高，所以它们的特性应该与热中子截然不同，”布尔加克说。
该团队的数值模拟需要整个 Summit 运行近 100 万个节点小时。每次运行需要大约 15 小时的时间，针对三种不同的原子核——铀 238、钚 240 和锎 252——在各种初始条件下运行。Summit 由橡树岭领导计算设施管理，该设施是位于 ORNL 的美国能源部科学办公室用户设施，计划于 11 月退役，并由 OLCF 的百亿亿次级超级计算机 Frontier 取代。
研究小组的计算采用了布尔加克于 21 世纪初基于沃尔特·科恩和皮埃尔·霍恩伯格的密度泛函理论开始开发的数学框架，这是一种用于研究中子星地壳和冷原子系统中的超流体原子核和量化涡旋的量子力学建模方法。
密度泛函理论不需要计算多体系统中每个粒子的精确位置，而是关注粒子在空间中的分布，这只需要三个坐标。例如，使用薛定谔方程需要大约 30 个参数和许多假设来计算粒子的全波函数。Bulgac 的核能量密度函数使用了八个参数——但仍然需要领导计算的全部能力。
“绝对关键的工具是使用橡树岭的超级计算机，从 Jaguar 和 Titan 开始，然后是 Summit。没有它们，这一切都是不可能的。绝对不可能。即使是现在，我们也在将一些计算转移到 Frontier，以便我们能够进一步研究。但即使是 Frontier 也不够，我们可能需要更大的超级计算机来研究更精细的细节，”Bulgac 说。
研究小组的下一步是看看实验结果是否与他们的发现相符。布尔加克说，他已经与实验人员讨论了在实验室中测试论文预测的想法。
“我们对描述这一现象的参数使用了精确值，没有其他任何因素。这就是我们得到的结果。现在，如果它们不正确，那么就会有一个很大的问题：这个理论到底出了什么问题?”布尔加克说。
“目前，很难看出哪里出了问题，但我们必须拭目以待。如果你做出预测，无论它是否被证实，你都必须观察。这就是物理学的发展方式。”
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