En la División de Física del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, James ("Mitch") Allmond realiza experimentos y utiliza modelos teóricos para avanzar en nuestra comprensión de la estructura de los núcleos atómicos, que están formados por varias combinaciones de protones y neutrones (nucleones).

"Me concentro en describir cómo se organizan los nucleones y qué patrones surgen de esas organizaciones, "Dijo Allmond.

Mientras que los químicos organizan los elementos atómicos por el número de protones que contienen, que dicta las órbitas de los electrones y las reactividades químicas, Los físicos como Allmond organizan los núcleos atómicos por el número de protones y neutrones que tienen.

Dentro de un núcleo, cada nucleón sigue un "campo medio" generado por los otros nucleones. Los protones y neutrones se organizan cada uno en capas de diferentes niveles de energía, como lo hacen los electrones. Los nucleones que se unen a un nuevo núcleo caen a la energía más baja dentro de una capa vacía que permiten las leyes de la física. Las interacciones residuales entre nucleones pueden conducir a los núcleos de formas esféricas a deformadas.

Comportamiento colectivo

Cuando las conchas están llenas, el movimiento del nucleón está restringido, como el de los pasajeros de un autobús abarrotado. Cuando las cáscaras no están llenas, los nucleones son más libres para moverse, Reúnanse, y empezar a comportarse colectivamente.

Allmond a menudo modela los núcleos como un todo colectivo (una gota de líquido que gira a lo largo de tres ejes) y realiza mediciones de precisión para probar sus modelos. Si las longitudes de todos los ejes son idénticas, el núcleo tiene la forma de una pelota de baloncesto; sus conchas están llenas de nucleones. Si un eje es más largo que otros dos ejes iguales, el núcleo se deforma en forma de fútbol americano; sus conchas solo están parcialmente llenas. Si los tres ejes tienen diferentes longitudes, el resultado es un rotor triaxial con forma de balón de fútbol desinflado. La evidencia de esta última forma sigue siendo escasa y debatida.

Allmond viaja a menudo al Laboratorio Nacional Argonne en Illinois para realizar experimentos en el Sistema Acelerador Argonne Tandem Linac (ATLAS). Allí, utiliza haces radiactivos en la instalación de Mejora del Criador de Isótopos Raros de California (CARIBU) con detectores de partículas y rayos gamma de última generación para estudiar los productos de fisión ricos en neutrones del californio-252 fabricados en el reactor de isótopos de alto flujo de ORNL.

Con CARIBU, Allmond puede acelerar un isótopo radiactivo y estudiarlo mediante la excitación de Coulomb, una técnica que colisiona núcleos en una interacción puramente electromagnética, permitiendo mediciones de forma independientes del modelo. Allmond quiere comprender qué formas son posibles.

La mayoría de los estudios anteriores habían buscado deformaciones triaxiales en los núcleos de osmio y platino, los mejores candidatos naturales para la morfología del fútbol desinflado. Allmond buscó deformaciones en isótopos exóticos de rutenio y molibdeno producidos en haces radiactivos y descubrió que estos también mostraban esa forma extrema, a pesar de tener masas y números de nucleones dramáticamente diferentes.

"Quizás todos los núcleos tengan algún grado de deformación triaxial, ", postuló." Cambia nuestra comprensión general e impacta las expectativas para los estados excitados aún más altos que son experimentalmente muy difíciles de alcanzar y sondear ". Por ejemplo, si los tres ejes son diferentes, los núcleos pueden tambalearse, manifestando movimientos con grados de libertad que las teorías líderes no suelen explicar.

Es más, Allmond dijo:"Los modelos nucleares que no tienen en cuenta la deformación triaxial no podrán predecir con precisión las propiedades del estado fundamental, como masas y tiempos de vida. Eso afecta fenómenos como r-proceso nucleosíntesis, que determina la abundancia natural de elementos ". "Más allá de eso, puede impactar el calor de desintegración calculado dentro de un reactor nuclear. Los datos que faltan deben calcularse, y esos cálculos son tan buenos como sus modelos ".

De la pesca a la fisión

Allmond, con dos hermanas, Creció en una granja de caballos de pura sangre en Georgia. Su padre era farmacéutico, y su madre, una enfermera. "Parte de mi lado experimental se desarrolló cuando era niño en una granja, tener que arreglar las cosas de forma rápida y sucia (ingeniería de cuello rojo), ya sea arreglando una cerca eléctrica, una bomba para mantener llenos de agua los abrevaderos de los caballos, o un tractor o motor de una cortadora de césped averiado. Hay que hacer tantas cosas que no te obsesiones con hacer que todo sea perfecto; solo asegúrate de que funcione, ", recordó." Esa ley de rendimientos decrecientes ayuda en física, sabiendo cuándo ha logrado su objetivo ".

Allmond disfrutó de la pesca en alta mar y el buceo con su padre lo suficiente como para considerar una carrera en biología marina. Sin embargo, la mejor universidad para esa especialidad estaba en un pueblo pequeño, y Allmond estaba listo para experimentar una gran ciudad. "Elegí Atlanta y, con él, Georgia Tech, " él dijo.

Como estudiante de segundo año allí, tomó física de John Wood. "Desde que era, en mi mente, el mejor profesor allí en términos de paciencia y entusiasmo y la forma en que se comunicaba, Sentí que la física nuclear era el mejor camino para mí ".

Allmond hizo un proyecto de investigación de pregrado requerido para estudiar la forma del erbio-166 con Wood y continuó con él para su doctorado. Después, comenzó una beca postdoctoral en la Universidad de Richmond con el experto en estructuras nucleares Con Beausang, quien tuvo una colaboración con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y envió a Allmond allí en 2007 para hacer experimentos en el Ciclotrón de 88 pulgadas.

En California, Allmond conoció a David Radford de ORNL, un experto en detectores de rayos gamma de renombre mundial que más tarde le ofreció una beca postdoctoral. También conoció a una artista que se convertiría en su esposa.

En 2010, la pareja se mudó a Tennessee y recientemente compró una casa cerca de Oak Ridge. La granja de su familia está a solo 5 horas de distancia si le apetece montar a caballo, pescando o arreglando algo.

Forma de las cosas por venir

Allmond se convirtió en científico de plantilla en ORNL en 2014. Sus estudios locales de Oak Ridge se han centrado en núcleos esféricos en números "mágicos" de protones o neutrones. Es decir, estos núcleos tienen capas de protones y / o neutrones llenos. Si las capas de protones y neutrones están llenas, los físicos dicen que el núcleo es "doblemente mágico".

Allmond usó haces de iones radiactivos de la ahora desaparecida Instalación de Rayos de Iones Radiactivos Holifield de ORNL y una matriz de detectores llamada BareBall-CLARION para estudiar el estaño-132 doblemente mágico. También dirigió un estudio que agregó dos neutrones y dos protones por encima de sus cierres completos de protones y capas de neutrones. "Descubrimos que los dos neutrones parecen estar dirigiendo el espectáculo, " él dijo, en términos del movimiento del nucleón colectivo y la forma ligeramente deformada de su núcleo.

Ahora colabora con su colega físico Gaute Hagen para predecir formas nucleares. Hagen utiliza la supercomputadora Summit en Oak Ridge Leadership Computing Facility para realizar cálculos basados ​​en los primeros principios.

"Hay limitaciones para lo que puedo medir y lo que él puede calcular, "Dijo Allmond. Cada uno aporta una comprensión fundamental que afectará la forma de los descubrimientos por venir.

Allmond actualmente espera con interés las instalaciones del DOE para haces de isótopos raros (FRIB), en construcción en la Universidad Estatal de Michigan y se espera que comience a operar en 2022. Es un líder en el desarrollo de instrumentación para FRIB, en particular la FRIB Decay Station, que está dirigido por ORNL y la Universidad de Tennessee en Knoxville. Este sistema detector, que se utilizará para estudiar las propiedades y estructuras de desintegración de núcleos exóticos, está en una posición única para hacer contribuciones cruciales hacia experimentos de descubrimiento en los límites extremos de la existencia nuclear en el primer día de operaciones. Tendrá un impacto transformador en nuestra comprensión de la estructura nuclear, astrofísica nuclear, simetrías fundamentales, e isótopos para aplicaciones importantes.