Mitch Allmond:At forme en bedre grundlæggende forståelse af stof

I fysikafdelingen i Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, James ("Mitch") Allmond udfører eksperimenter og bruger teoretiske modeller til at fremme vores forståelse af strukturen af ​​atomkerner, som er lavet af forskellige kombinationer af protoner og neutroner (nukleoner).

"Jeg fokuserer på at beskrive, hvordan nukleoner organiserer sig, og hvilke mønstre der opstår fra disse organisationer, " sagde Allmond.

Hvorimod kemikere organiserer atomare grundstoffer efter antallet af protoner, de indeholder, som dikterer elektronbaner og kemiske reaktiviteter, fysikere som Allmond organiserer atomkerner efter antallet af protoner og neutroner, de har.

Inden for en kerne, hver nukleon følger et "middelfelt" genereret af de andre nukleoner. Protoner og neutroner organiseres hver især i skaller med forskellige energiniveauer, som elektroner gør. Nukleoner, der slutter sig til en ny kerne, falder til den laveste energi i en ufyldt skal, som fysikkens love tillader. Resterende interaktioner mellem nukleoner kan drive kerner fra sfæriske til deforme former.

Kollektiv adfærd

Når skallerne er fulde, nukleonbevægelse er begrænset, som ryttere, der står på en propfyldt bus. Når skallerne ikke er fulde, nukleoner er friere at bevæge sig omkring, samle sammen, og begynde at opføre sig kollektivt.

Allmond modellerer ofte kerner som en kollektiv helhed - en væskedråbe, der roterer langs tre akser - og foretager præcisionsmålinger for at teste sine modeller. Hvis længden af ​​alle akser er identiske, kernen er formet som en basketball; dens skaller er fulde af nukleoner. Hvis en akse er længere end to andre lige store akser, kernen er deformeret til form af en amerikansk fodbold; dens skaller er kun delvist fyldte. Hvis alle tre akser har forskellig længde, resultatet er en treakset rotor formet som en tømt fodbold. Beviser for denne sidstnævnte form er stadig sparsomme og omdiskuterede.

Allmond rejser ofte til Argonne National Laboratory i Illinois for eksperimenter ved Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS). Der bruger han radioaktive stråler på Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU) faciliteten med state-of-the-art partikel- og gammastråledetektorer til at studere neutronrige fissionsprodukter af californium-252 fremstillet ved ORNL's High Flux Isotope Reactor.

med CARIBU, Allmond kan accelerere en radioaktiv isotop og studere den gennem Coulomb excitation, en teknik, der kolliderer kerner i en ren elektromagnetisk interaktion, tillader modeluafhængige formmålinger. Allmond ønsker at forstå, hvilke former der er mulige.

De fleste tidligere undersøgelser havde kigget efter triaksial deformation i osmium- og platinkernerne, de bedste naturligt forekommende kandidater til deflaterede fodboldmorfologi. Allmond prospekterede for deformationer i eksotiske isotoper af ruthenium og molybdæn lavet i radioaktive stråler og fandt ud af, at disse også viste den ekstreme form - på trods af at de havde dramatisk forskellige masser og antal nukleoner.

"Måske har alle kerner en vis grad af triaksial deformation, " sagde han. "Det ændrer vores generelle forståelse og påvirker forventningerne til de endnu højere liggende ophidsede tilstande, som eksperimentelt er meget svære at nå og undersøge." F.eks. hvis alle tre akser er forskellige, kerner kan vakle, manifesterer bevægelser med frihedsgrader, som førende teorier typisk ikke tager højde for.

I øvrigt, Allmond sagde, "Nukleare modeller, der ikke tager højde for triaksial deformation, vil ikke være i stand til nøjagtigt at forudsige egenskaber i grundtilstanden som masser og levetider. Det påvirker fænomener som f.eks. r-proces nukleosyntese, som bestemmer den naturlige overflod af elementer." Han tilføjede, "Udover det, det kan påvirke den beregnede henfaldsvarme i en atomreaktor. Manglende data skal beregnes, og disse beregninger er kun så gode som dine modeller."

Fra fiskeri til fission

Allmond, med to søstre, voksede op på en fuldblods hestefarm i Georgia. Hans far var apoteker, og hans mor, en sygeplejerske. "En del af min eksperimentelle side blev udviklet som barn på en gård, at skulle hurtigt og snavset rigge ting op - redneck engineering - uanset om det var at reparere et elektrisk hegn, en pumpe til at holde hestenes trug fulde af vand, eller en ødelagt traktor- eller plæneklippermotor. Så mange ting skal gøres, at du ikke bliver besat af at gøre alting perfekt; du skal bare sørge for at det virker, " huskede han. "Den lov om faldende udbytte hjælper i fysik, ved, hvornår du har nået dit mål."

Allmond nød dybhavsfiskeri og dykning med sin far nok til at overveje en karriere inden for havbiologi. Imidlertid, det bedste universitet for den hovedfag var i en lille by, og Allmond var klar til at opleve en storby. "Jeg valgte Atlanta - og med det, Georgia Tech, " han sagde.

Som andenstuderende der, han tog fysik fra John Wood. "Siden han var, i mine tanker, den bedste professor der med hensyn til tålmodighed og entusiasme og lige måden han kommunikerede på, Jeg følte, at kernefysik var den bedste vej for mig."

Allmond lavede et påkrævet bachelor-forskningsprojekt, hvor han studerede formen af ​​erbium-166 med Wood og fortsatte med ham til sin doktorgrad. Efter det, han påbegyndte et postdoc-stipendium ved University of Richmond med atomstrukturekspert Con Beausang, som havde et samarbejde med Lawrence Berkeley National Laboratory og sendte Allmond dertil i 2007 for at lave eksperimenter på 88-Tommer Cyclotron.

I Californien, Allmond mødte David Radford fra ORNL, en verdenskendt ekspert i gammastråledetektorer, som senere tilbød ham et postdoc-stipendium. Han mødte også en kunstner, der ville blive hans kone.

I 2010 flyttede parret til Tennessee og købte for nylig et hus nær Oak Ridge. Hans families gård er kun 5 timer væk, hvis han har lyst til at ride, fiske eller ordne noget.

Formen på de kommende ting

Allmond blev stabsforsker ved ORNL i 2014. Hans lokale Oak Ridge-studier har fokuseret på kerner, der er sfæriske ved "magiske" antal protoner eller neutroner. Det er, disse kerner har fyldte proton- og/eller neutronskaller. Hvis både proton- og neutronskaller er fyldt, fysikere siger, at kernen er "dobbelt magi."

Allmond brugte radioaktive ionstråler fra ORNLs nu hedengangne ​​Holifield Radioactive Ion Beam Facility og en detektorarray kaldet BareBall-CLARION til at studere dobbeltmagisk tin-132. Han ledede også en undersøgelse, der tilføjede to neutroner og to protoner over dens fulde proton- og neutronskallukninger. "Vi fandt ud af, at de to neutroner ser ud til at køre showet, " han sagde, i form af den kollektive nukleonbevægelse og let deformerede form af dens kerne.

Han samarbejder nu med fysikerkollega Gaute Hagen om at forudsige nukleare former. Hagen bruger Summit-supercomputeren på Oak Ridge Leadership Computing Facility til at udføre beregninger baseret på de første principper.

"Der er begrænsninger for, hvad jeg kan måle, og hvad han kan beregne, " sagde Allmond. Hver af dem bidrager med grundlæggende forståelse, der vil påvirke formen på de kommende opdagelser.

Allmond ser i øjeblikket frem til DOE's Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), under opførelse ved Michigan State University og forventes at begynde i drift i 2022. Han er leder af udviklingen af ​​instrumentering til FRIB, især FRIB Decay Station, som ledes af ORNL og University of Tennessee i Knoxville. Dette detektorsystem, som vil blive brugt til at studere henfaldsegenskaber og strukturer af eksotiske kerner, er enestående positioneret til at yde afgørende bidrag til opdagelseseksperimenter ved de ekstreme grænser for nuklear eksistens på dag 1 af operationer. Det vil have en transformativ indvirkning på vores forståelse af nuklear struktur, nuklear astrofysik, grundlæggende symmetrier, og isotoper til vigtige applikationer.