Nella Divisione di Fisica dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di Energia, James ("Mitch") Allmond conduce esperimenti e utilizza modelli teorici per far progredire la nostra comprensione della struttura dei nuclei atomici, che sono fatti di varie combinazioni di protoni e neutroni (nucleoni).

"Mi concentro sulla descrizione di come si organizzano i nucleoni e quali modelli emergono da quelle organizzazioni, " disse Allmond.

Mentre i chimici organizzano gli elementi atomici in base al numero di protoni che contengono, che determina le orbite degli elettroni e le reattività chimiche, fisici come Allmond organizzano i nuclei atomici in base al numero di protoni e neutroni che hanno.

All'interno di un nucleo, ogni nucleone segue un "campo medio" generato dagli altri nucleoni. Protoni e neutroni si organizzano ciascuno in gusci di diversi livelli di energia, come fanno gli elettroni. I nucleoni che si uniscono a un nuovo nucleo scendono all'energia più bassa all'interno di un guscio vuoto consentito dalle leggi della fisica. Le interazioni residue tra i nucleoni possono guidare i nuclei da forme sferiche a forme deformate.

Comportamento collettivo

Quando le conchiglie sono piene, il movimento del nucleone è limitato, come quella dei passeggeri in piedi su un autobus pieno zeppo. Quando le conchiglie non sono piene, i nucleoni sono più liberi di muoversi, radunarsi, e iniziare a comportarsi collettivamente.

Allmond spesso modella i nuclei come un tutto collettivo, una goccia di liquido che ruota lungo tre assi, ed effettua misurazioni di precisione per testare i suoi modelli. Se le lunghezze di tutti gli assi sono identiche, il nucleo ha la forma di un pallone da basket; i suoi gusci sono pieni di nucleoni. Se un asse è più lungo di altri due assi uguali, il nucleo è deformato a forma di football americano; i suoi gusci sono solo parzialmente riempiti. Se tutti e tre gli assi sono di lunghezza diversa, il risultato è un rotore triassiale a forma di pallone da calcio sgonfio. Le prove di quest'ultima forma rimangono scarse e dibattute.

Allmond si reca spesso all'Argonne National Laboratory in Illinois per esperimenti all'Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS). Lì utilizza fasci radioattivi presso la struttura Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU) con rivelatori di particelle e raggi gamma all'avanguardia per studiare i prodotti di fissione ricchi di neutroni del californio-252 realizzati presso il reattore di isotopi ad alto flusso di ORNL.

Con CARIBU, Allmond può accelerare un isotopo radioattivo e studiarlo attraverso l'eccitazione di Coulomb, una tecnica che fa scontrare nuclei in un'interazione puramente elettromagnetica, consentendo misurazioni della forma indipendenti dal modello. Allmond vuole capire quali forme sono possibili.

La maggior parte degli studi precedenti aveva cercato la deformazione triassiale nei nuclei di osmio e platino, i migliori candidati naturali per la morfologia del calcio sgonfio. Allmond prospettò le deformazioni negli isotopi esotici di rutenio e molibdeno prodotti in fasci radioattivi e scoprì che anche questi mostravano quella forma estrema, nonostante avessero masse e numeri di nucleoni drammaticamente diversi.

"Forse tutti i nuclei hanno un certo grado di deformazione triassiale, " ha postulato. "Cambia la nostra comprensione generale e influisce sulle aspettative per gli stati eccitati ancora più elevati che sono sperimentalmente molto difficili da raggiungere e sondare". Ad esempio, se tutti e tre gli assi sono diversi, i nuclei possono oscillare, manifestando movimenti con gradi di libertà che le principali teorie non spiegano in genere.

Inoltre, Allmond ha detto, "I modelli nucleari che non tengono conto della deformazione triassiale non saranno in grado di prevedere con precisione le proprietà dello stato fondamentale come masse e tempi di vita. Ciò ha un impatto su fenomeni come r-processo nucleosintesi, che determina l'abbondanza naturale degli elementi." Ha aggiunto, "Oltre a questo, può avere un impatto sul calore di decadimento calcolato all'interno di un reattore nucleare. I dati mancanti devono essere calcolati, e quei calcoli sono validi quanto i tuoi modelli."

Dalla pesca alla fissione

Allmond, con due sorelle, è cresciuto in un allevamento di cavalli purosangue in Georgia. Suo padre era un farmacista, e sua madre, un'infermiera. "Parte del mio lato sperimentale è stato sviluppato da bambino in una fattoria, dover sistemare rapidamente e sporcare le cose - ingegneria redneck - se si trattava di riparare un recinto elettrico, una pompa per riempire d'acqua gli abbeveratoi dei cavalli, o un trattore rotto o un motore del tosaerba. Devono essere fatte così tante cose che non sei ossessionato dal rendere tutto perfetto; assicurati solo che funzioni, " ha ricordato. "Quella legge dei rendimenti decrescenti aiuta in fisica, sapere quando hai raggiunto il tuo obiettivo."

Allmond amava la pesca d'altura e le immersioni subacquee con suo padre abbastanza da considerare una carriera nella biologia marina. Però, la migliore università per quel maggiore era in una piccola città, e Allmond era pronto per vivere una grande città. "Ho scelto Atlanta e con essa, Georgia Tech, " Egli ha detto.

Come studente del secondo anno lì, ha preso fisica da John Wood. "Da quando era, nella mia mente, il miglior professore lì in termini di pazienza ed entusiasmo e proprio il modo in cui ha comunicato, Sentivo che la fisica nucleare era la strada migliore per me".

Allmond ha svolto un progetto di ricerca universitario richiesto studiando la forma dell'erbio-166 con Wood e ha continuato con lui per il suo dottorato. Dopo di che, ha iniziato una borsa di studio post-dottorato presso l'Università di Richmond con l'esperto di strutture nucleari Con Beausang, che ha avuto una collaborazione con il Lawrence Berkeley National Laboratory e ha inviato lì Allmond nel 2007 per fare esperimenti al ciclotrone da 88 pollici.

In California, Allmond ha incontrato David Radford dell'ORNL, un esperto di rilevatori di raggi gamma di fama mondiale che in seguito gli ha offerto una borsa di studio post-dottorato. Incontrò anche un'artista che sarebbe diventata sua moglie.

Nel 2010 la coppia si è trasferita in Tennessee e recentemente ha acquistato una casa vicino a Oak Ridge. La fattoria della sua famiglia è a sole 5 ore di distanza se ha voglia di andare a cavallo, pescare o aggiustare qualcosa.

Forma delle cose a venire

Allmond è diventato uno scienziato dello staff dell'ORNL nel 2014. I suoi studi locali di Oak Ridge si sono concentrati su nuclei sferici a numeri "magici" di protoni o neutroni. Questo è, questi nuclei hanno gusci di protoni e/o neutroni pieni. Se entrambi i gusci di protoni e neutroni sono pieni, i fisici dicono che il nucleo è "doppiamente magico".

Allmond ha utilizzato fasci di ioni radioattivi dall'ormai defunto Holifield Radioactive Ion Beam Facility dell'ORNL e un array di rivelatori chiamato BareBall-CLARION per studiare lo stagno doppiamente magico-132. Ha anche condotto uno studio che ha aggiunto due neutroni e due protoni sopra le sue chiusure complete di protoni e neutroni. "Abbiamo scoperto che i due neutroni sembrano gestire lo spettacolo, " Egli ha detto, in termini di movimento collettivo del nucleone e forma leggermente deformata del suo nucleo.

Ora collabora con il collega fisico Gaute Hagen per prevedere le forme nucleari. Hagen utilizza il supercomputer Summit presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility per eseguire calcoli basati sui principi primi.

"Ci sono limiti a ciò che posso misurare e ciò che può calcolare, " Ha detto Allmond. Ognuno contribuisce alla comprensione fondamentale che influenzerà la forma delle scoperte a venire.

Allmond attualmente attende con impazienza la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) del DOE, in costruzione presso la Michigan State University e dovrebbe iniziare le operazioni nel 2022. È un leader nello sviluppo di strumentazione per FRIB, in particolare la FRIB Decay Station, che è guidato dall'ORNL e dall'Università del Tennessee a Knoxville. Questo sistema di rilevamento, che verrà utilizzato per studiare le proprietà e le strutture di decadimento di nuclei esotici, è in una posizione unica per dare un contributo cruciale agli esperimenti di scoperta ai limiti estremi dell'esistenza nucleare nel primo giorno di operazioni. Avrà un impatto trasformativo sulla nostra comprensione della struttura nucleare, astrofisica nucleare, simmetrie fondamentali, e isotopi per importanti applicazioni.