慣性約束聚變 (ICF) 正在推動可控核聚變成為豐富清潔能源的進程。該方法通過在內爆過程中使氘氚 (DT) 燃料經受極端溫度和壓力來點燃它。在 DT 聚變中，大部分能量被中子帶走用于發電，而阿爾法粒子則留在燃料中，促進進一步的聚變反應。當阿爾法粒子釋放的能量超過內爆產生的能量時，等離子體進入燃燒狀態，能量密度顯著增加。

2021 年 2 月，國家點火裝置 (NIF) 實現了 ICF 燃燒等離子體，標志著聚變能開發和類似早期宇宙的極端條件研究的重要里程碑。然而，在這種狀態下，Hartouni 及其同事觀察到了新的物理現象：中子譜數據與流體動力學預測明顯偏離，表明存在超熱 DT 離子。這些發現挑戰了現有的基于麥克斯韋分布的模型，凸顯了以前被忽視的動力學效應和非平衡機制的重要性。

模擬這些動力學效應，尤其是涉及大量能量交換的大角度碰撞，是一項挑戰。此類碰撞在阿爾法粒子沉積過程中會產生超熱離子，導致偏離平衡狀態，超出流體動力學的描述范圍。

針對這一問題，中國科學院物理研究所和上海交通大學的張杰教授團隊提出了一種大角度碰撞模型。該模型將背景離子的屏蔽勢與二元碰撞過程中離子的相對運動相結合，有效地捕捉了離子動力學。他們新開發的混合粒子網格 LAPINS 程序采用了該模型，可以高精度模擬 ICF 燃燒等離子體。

他們對大角度碰撞的動力學研究得出了幾個關鍵發現：

- 點火正時提前約 10 皮秒。

- 檢測能量閾值低于約 34 keV 的超熱氘離子。

- 幾乎是預期峰值阿爾法粒子密度的兩倍。

- 熱點中心的阿爾法粒子密度增強約 24%。

這些發現的有效性得到了 NIF 中子譜矩分析與其動力學模擬之間的一致性的支持。兩者都揭示了中子譜分析與流體動力學預測之間的差異，并且隨著產量的增加，這種差異變得更加明顯。

這項研究為實驗解釋提供了新見解，為改進點火設計開辟了道路。它還促進了對核燃燒等離子體的探索，這種等離子體的特點是能量密度極高，有助于揭示早期宇宙演化背后的復雜物理原理。