In de afdeling Natuurkunde van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, James ("Mitch") Allmond voert experimenten uit en gebruikt theoretische modellen om ons begrip van de structuur van atoomkernen te vergroten, die zijn gemaakt van verschillende combinaties van protonen en neutronen (nucleonen).

"Ik concentreer me op het beschrijven hoe nucleonen zich organiseren en welke patronen uit die organisaties voortkomen, ' zei Allmond.

Terwijl chemici atomaire elementen ordenen op basis van het aantal protonen dat ze bevatten, die elektronenbanen en chemische reactiviteiten dicteert, natuurkundigen zoals Allmond organiseren atoomkernen op basis van het aantal protonen en neutronen dat ze hebben.

Binnen een kern, elk nucleon volgt een "gemiddeld veld" gegenereerd door de andere nucleonen. Protonen en neutronen organiseren zich elk in schillen met verschillende energieniveaus, zoals elektronen dat doen. Nucleonen die zich bij een nieuwe kern voegen, vallen naar de laagste energie binnen een ongevulde schil die de wetten van de fysica toestaan. Resterende interacties tussen nucleonen kunnen kernen van bolvormige naar vervormde vormen drijven.

Collectief gedrag

Als de schelpen vol zijn, nucleon beweging is beperkt, zoals die van renners die in een overvolle bus staan. Als de schelpen niet vol zijn, nucleonen zijn vrijer om te bewegen, samenkomen, en begin je collectief te gedragen.

Allmond modelleert kernen vaak als een collectief geheel - een vloeibare druppel die langs drie assen roteert - en voert precisiemetingen uit om zijn modellen te testen. Als de lengtes van alle assen gelijk zijn, de kern heeft de vorm van een basketbal; zijn schelpen zitten vol met nucleonen. Als een as langer is dan twee andere gelijke assen, de kern is vervormd in de vorm van een American football; de schelpen zijn slechts gedeeltelijk gevuld. Als alle drie de assen een verschillende lengte hebben, het resultaat is een drieassige rotor in de vorm van een leeggelopen voetbal. Bewijs voor deze laatste vorm blijft schaars en wordt besproken.

Allmond reist vaak naar het Argonne National Laboratory in Illinois voor experimenten met het Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS). Daar gebruikt hij radioactieve bundels in de Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU)-faciliteit met ultramoderne deeltjes- en gammastraaldetectoren om neutronenrijke splijtingsproducten van californium-252 te bestuderen die zijn gemaakt in ORNL's High Flux Isotope Reactor.

Met CARIBU, Allmond kan een radioactieve isotoop versnellen en bestuderen door middel van Coulomb-excitatie, een techniek die kernen botst in een puur elektromagnetische interactie, waardoor modelonafhankelijke vormmetingen mogelijk zijn. Allmond wil begrijpen welke vormen mogelijk zijn.

De meeste eerdere studies hadden gezocht naar triaxiale vervorming in de osmium- en platinakernen, de beste natuurlijk voorkomende kandidaten voor de morfologie van leeggelopen voetbal. Allmond zocht naar vervormingen in exotische isotopen van ruthenium en molybdeen gemaakt in radioactieve bundels en ontdekte dat deze ook die extreme vorm vertoonden - ondanks dramatisch verschillende massa's en aantallen nucleonen.

"Misschien hebben alle kernen een zekere mate van triaxiale vervorming, "Hij stelde. "Het verandert ons algemene begrip en beïnvloedt de verwachtingen voor de nog hoger gelegen aangeslagen toestanden die experimenteel erg moeilijk te bereiken en te onderzoeken zijn." Bijvoorbeeld, als alle drie de assen verschillend zijn, kernen kunnen wiebelen, bewegingen manifesteren met vrijheidsgraden die leidende theorieën doorgaans niet verklaren.

Bovendien, Allmond zei, "Nucleaire modellen die geen rekening houden met triaxiale vervorming, zullen niet in staat zijn om grondtoestandeigenschappen zoals massa's en levensduur nauwkeurig te voorspellen. Dat heeft gevolgen voor fenomenen zoals r-proces nucleosynthese, die de natuurlijke overvloed aan elementen bepaalt." Hij voegde eraan toe:"Buiten dat, het kan de berekende vervalwarmte in een kernreactor beïnvloeden. Ontbrekende gegevens moeten worden berekend, en die berekeningen zijn maar zo goed als je modellen."

Van vissen tot splijting

Allmond, met twee zussen, groeide op op een volbloed paardenboerderij in Georgië. Zijn vader was apotheker, en zijn moeder, een verpleegster. "Een deel van mijn experimentele kant is ontwikkeld als kind op een boerderij, dingen snel en vuil moeten optuigen - redneck engineering - of het nu gaat om het repareren van een elektrische afrastering, een pomp om de troggen van de paarden vol water te houden, of een kapotte tractor of grasmaaiermotor. Er moeten zoveel dingen worden gedaan dat je niet geobsedeerd bent om alles perfect te maken; je zorgt gewoon dat het werkt, " herinnerde hij zich. "Die wet van afnemende meeropbrengst helpt in de natuurkunde, weten wanneer je je doel hebt bereikt."

Allmond genoot genoeg van diepzeevissen en duiken met zijn vader om een ​​carrière in de mariene biologie te overwegen. Echter, de beste universiteit voor die studie was in een kleine stad, en Allmond was klaar om een ​​grote stad te ervaren. "Ik koos Atlanta - en daarmee, Georgië Tech, " hij zei.

Als tweedejaars daar, hij nam natuurkunde van John Wood. "Sinds hij was, in mijn gedachten, de beste professor daar in termen van geduld en enthousiasme en gewoon de manier waarop hij communiceerde, Ik had het gevoel dat kernfysica de beste weg voor mij was."

Allmond deed een verplicht niet-gegradueerd onderzoeksproject om de vorm van erbium-166 met Wood te bestuderen en ging met hem verder voor zijn doctoraat. Daarna, hij begon een postdoctorale beurs aan de Universiteit van Richmond met nucleair structuurexpert Con Beausang, die een samenwerking had met het Lawrence Berkeley National Laboratory en Allmond daar in 2007 naartoe stuurde om experimenten te doen op de 88-inch Cyclotron.

In Californië, Allmond ontmoette David Radford van ORNL, een wereldberoemde expert op het gebied van gammastraling, die hem later een postdoctorale beurs aanbood. Hij ontmoette ook een kunstenaar die zijn vrouw zou worden.

In 2010 verhuisde het stel naar Tennessee en kocht onlangs een huis in de buurt van Oak Ridge. De boerderij van zijn familie is slechts 5 uur rijden als hij zin heeft om te paardrijden, vissen of iets repareren.

Vorm van de dingen die komen gaan

Allmond werd in 2014 stafwetenschapper bij ORNL. Zijn lokale Oak Ridge-onderzoeken hebben zich gericht op kernen die bolvormig zijn met "magische" aantallen protonen of neutronen. Dat is, deze kernen hebben gevulde proton- en/of neutronenschillen. Als zowel proton- als neutronenschillen gevuld zijn, natuurkundigen zeggen dat de kern "dubbele magie" is.

Allmond gebruikte radioactieve ionenstralen van ORNL's inmiddels ter ziele gegane Holifield Radioactive Ion Beam Facility en een detectorarray genaamd BareBall-CLARION om dubbel magisch tin-132 te bestuderen. Hij leidde ook een onderzoek waarbij twee neutronen en twee protonen werden toegevoegd boven de volledige proton- en neutronenschaalsluitingen. "We ontdekten dat de twee neutronen de show lijken te runnen, " hij zei, in termen van de collectieve nucleonbeweging en enigszins vervormde vorm van de kern.

Hij werkt nu samen met collega-fysicus Gaute Hagen om nucleaire vormen te voorspellen. Hagen gebruikt de Summit-supercomputer van de Oak Ridge Leadership Computing Facility om berekeningen uit te voeren op basis van de eerste principes.

"Er zijn beperkingen aan wat ik kan meten en wat hij kan berekenen, "Zei Allmond. Elk draagt ​​fundamenteel begrip bij dat de vorm van toekomstige ontdekkingen zal beïnvloeden.

Allmond kijkt momenteel uit naar DOE's Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), in aanbouw aan de Michigan State University en zal naar verwachting in 2022 van start gaan. Hij is een leider in de ontwikkeling van instrumenten voor FRIB, in het bijzonder het FRIB Decay Station, die wordt geleid door ORNL en University of Tennessee in Knoxville. Dit detectorsysteem, die zal worden gebruikt om de vervaleigenschappen en structuren van exotische kernen te bestuderen, is uniek gepositioneerd om cruciale bijdragen te leveren aan ontdekkingsexperimenten aan de uiterste grenzen van het nucleair bestaan ​​op dag één van de operaties. Het zal een transformerende impact hebben op ons begrip van nucleaire structuur, nucleaire astrofysica, fundamentele symmetrieën, en isotopen voor belangrijke toepassingen.