I fysikavdelningen vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, James ("Mitch") Allmond utför experiment och använder teoretiska modeller för att främja vår förståelse av atomkärnornas struktur, som är gjorda av olika kombinationer av protoner och neutroner (nukleoner).

"Jag fokuserar på att beskriva hur nukleoner organiseras och vilka mönster som kommer från dessa organisationer, "Sa Allmond.

Medan kemister organiserar atomelement med antalet protoner de innehåller, som dikterar elektronbanor och kemisk reaktivitet, fysiker som Allmond organiserar atomkärnor efter antalet protoner och neutroner de har.

Inom en kärna, varje nukleon följer ett "medelfält" som genereras av de andra nukleonerna. Protoner och neutroner organiseras var och en i skal med olika energinivåer, som elektroner gör. Nukleoner som förenar en ny kärna sjunker till den lägsta energin i ett ofylld skal som fysiklagarna tillåter. Kvarvarande interaktioner mellan nukleoner kan driva kärnor från sfäriska till deformerade former.

Kollektivt beteende

När skalen är fulla, nukleonrörelsen är begränsad, som för ryttare som står på en fullsatt buss. När skalen inte är fulla, nukleoner är friare att röra på sig, samla ihop, och börja bete sig kollektivt.

Allmond modellerar ofta kärnor som en kollektiv helhet - en vätskedroppe som roterar längs tre axlar - och gör precisionsmätningar för att testa hans modeller. Om längden på alla axlar är identiska, kärnan är formad som en basket; dess skal är fulla av nukleoner. Om en axel är längre än två andra lika axlar, kärnan deformeras till formen av en amerikansk fotboll; dess skal är bara delvis fyllda. Om alla tre axlarna har olika längd, resultatet är en triaxial rotor formad som en tömd fotboll. Bevis för den senare formen förblir knappa och debatterade.

Allmond reser ofta till Argonne National Laboratory i Illinois för experiment på Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS). Där använder han radioaktiva strålar vid anläggningen Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU) med toppmoderna partikel- och gammastrålningsdetektorer för att studera neutronrika fissionsprodukter från californium-252 tillverkade vid ORNL:s High Flux Isotope Reactor.

Med CARIBU, Allmond kan accelerera en radioaktiv isotop och studera den genom Coulomb -excitation, en teknik som kolliderar kärnor i en rent elektromagnetisk interaktion, tillåter modelloberoende formmätningar. Allmond vill förstå vilka former som är möjliga.

De flesta tidigare studier hade letat efter triaxial deformation i osmium- och platina -kärnorna, de bästa naturligt förekommande kandidaterna för deflaterad fotbollsmorfologi. Allmond utsattes för deformationer i exotiska isotoper av rutenium och molybden som gjorts i radioaktiva strålar och fann att även dessa uppvisade den extrema formen - trots att de hade dramatiskt olika massor och antal nukleoner.

"Kanske har alla kärnor en viss grad av triaxial deformation, "poserade han." Det förändrar vår allmänna förståelse och påverkar förväntningarna på de ännu högre liggande upphetsade tillstånden som experimentellt är mycket svåra att nå och undersöka. "Till exempel, om alla tre axlarna är olika, kärnor kan vingla, manifesterar rörelser med grader av frihet som ledande teorier vanligtvis inte står för.

Dessutom, Allmond sa, "Kärnkraftsmodeller som inte tar hänsyn till triaxial deformation kommer inte att kunna exakt förutsäga markstatusegenskaper som massor och livstider. Det påverkar fenomen som r-process nukleosyntes, som bestämmer det naturliga överflödet av element. "Han tillade, "Bortom det, det kan påverka den beräknade nedbrytningsvärmen i en kärnreaktor. Saknade data måste beräknas, och dessa beräkningar är bara lika bra som dina modeller. "

Från att fiska till klyvning

Allmond, med två systrar, växte upp på en fullblodshästgård i Georgien. Hans far var apotekare, och hans mamma, En sjuksköterska. "En del av min experimentella sida utvecklades som barn på en gård, måste snabbt och smutsigt rigga upp saker-redneck engineering-om det var att fixa ett elstängsel, en pump för att hålla hästarnas tråg fulla av vatten, eller trasig traktor eller gräsklippare. Så många saker måste göras att du inte besöker att göra allt perfekt; du ser bara till att det fungerar, "mindes han." Den lagen om minskande avkastning hjälper till i fysiken, veta när du har uppnått ditt mål. "

Allmond njöt av djuphavsfiske och dykning med sin pappa nog för att överväga en karriär inom marinbiologi. Dock, det bästa universitetet för den majoren var i en liten stad, och Allmond var redo att uppleva en storstad. "Jag valde Atlanta - och med det, Georgia Tech, " han sa.

Som andraår där, han tog fysik från John Wood. "Sedan han var, i mina tankar, den bästa professorn där när det gäller tålamod och entusiasm och precis hur han kommunicerade, Jag kände att kärnfysiken var den bästa vägen för mig. "

Allmond gjorde ett obligatoriskt forskarprojekt som studerade formen av erbium-166 med Wood och fortsatte med honom för sin doktorsexamen. Efter det, han började en postdoktoral stipendium vid University of Richmond med kärnkonstruktionsexperten Con Beausang, som hade ett samarbete med Lawrence Berkeley National Laboratory och skickade Allmond dit 2007 för att göra experiment på 88-tums cyklotron.

I Kalifornien, Allmond träffade David Radford från ORNL, en världsberömd expert på gammastråldetektorer som senare erbjöd honom en postdoktorat. Han träffade också en konstnär som skulle bli hans fru.

År 2010 flyttade paret till Tennessee och köpte nyligen ett hus nära Oak Ridge. Hans familjs gård ligger bara 5 timmar bort om han känner för att rida, fiska eller fixa något.

Form av saker som kommer

Allmond blev personalvetare vid ORNL 2014. Hans lokala Oak Ridge -studier har fokuserat på kärnor som är sfäriska vid "magiska" antal protoner eller neutroner. Det är, dessa kärnor har fyllt proton- och/eller neutronskal. Om både proton- och neutronskal fylls, fysiker säger att kärnan är "dubbel magi".

Allmond använde radioaktiva jonstrålar från ORNL:s nu nedlagda Holifield Radioactive Ion Beam Facility och en detektormatris som heter BareBall-CLARION för att studera dubbel magisk tenn-132. Han ledde också en studie som lade till två neutroner och två protoner över dess fullständiga proton- och neutronskalstängningar. "Vi fann att de två neutronerna verkar driva showen, " han sa, när det gäller den kollektiva nukleonrörelsen och lätt deformerade formen av dess kärna.

Han samarbetar nu med fysikern Gaute Hagen för att förutsäga kärnkraftsformer. Hagen använder Summit -superdatorn vid Oak Ridge Leadership Computing Facility för att utföra beräkningar baserade på första principer.

"Det finns begränsningar för vad jag kan mäta och vad han kan beräkna, "Sade Allmond. Var och en bidrar med grundläggande förståelse som kommer att påverka formen av upptäckter som kommer.

Allmond ser för närvarande fram emot DOE:s Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), under uppbyggnad vid Michigan State University och förväntas påbörja verksamheten 2022. Han är en ledare som utvecklar instrument för FRIB, i synnerhet FRIB Decay Station, som leds av ORNL och University of Tennessee i Knoxville. Detta detektorsystem, som kommer att användas för att studera förfallets egenskaper och strukturer hos exotiska kärnor, är unikt positionerad för att göra avgörande bidrag till upptäcktsexperiment vid de yttersta gränserna för kärnkrafts existens på dag ett av operationerna. Det kommer att ha en transformativ inverkan på vår förståelse av kärnkraftsstruktur, nukleär astrofysik, grundläggande symmetrier, och isotoper för viktiga tillämpningar.