Na Divisão de Física do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia, James ("Mitch") Allmond conduz experimentos e usa modelos teóricos para avançar nossa compreensão da estrutura dos núcleos atômicos, que são feitos de várias combinações de prótons e nêutrons (núcleons).

"Eu me concentro em descrever como os núcleos se organizam e quais padrões emergem dessas organizações, "Allmond disse.

Enquanto os químicos organizam os elementos atômicos pelo número de prótons que eles contêm, que dita as órbitas de elétrons e reatividades químicas, físicos como Allmond organizam os núcleos atômicos pelo número de prótons e nêutrons que possuem.

Dentro de um núcleo, cada nucleon segue um "campo médio" gerado pelos outros nucleons. Prótons e nêutrons se organizam em camadas de diferentes níveis de energia, como os elétrons fazem. Os núcleos que se juntam a um novo núcleo caem para a energia mais baixa dentro de uma concha não preenchida que as leis da física permitem. As interações residuais entre os núcleos podem conduzir os núcleos de formas esféricas a deformadas.

Comportamento coletivo

Quando as conchas estão cheias, o movimento do nucleon é restrito, como a de passageiros em um ônibus lotado. Quando as conchas não estão cheias, núcleons são mais livres para se mover, reúnam-se, e comece a se comportar coletivamente.

Allmond freqüentemente modela os núcleos como um todo coletivo - uma gota de líquido girando ao longo de três eixos - e faz medições precisas para testar seus modelos. Se os comprimentos de todos os eixos forem idênticos, o núcleo tem a forma de uma bola de basquete; suas conchas estão cheias de núcleons. Se um eixo for maior do que dois outros eixos iguais, o núcleo é deformado na forma de uma bola de futebol americano; suas conchas são apenas parcialmente preenchidas. Se todos os três eixos forem de comprimentos diferentes, o resultado é um rotor triaxial com a forma de uma bola de futebol vazia. Evidências para esta última forma permanecem escassas e debatidas.

Allmond costuma viajar para o Argonne National Laboratory em Illinois para experimentos no Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS). Lá, ele usa feixes radioativos na instalação de Atualização do Criador de Isótopos Raros da Califórnia (CARIBU) com detectores de partículas e raios gama de última geração para estudar produtos de fissão ricos em nêutrons de califórnio-252 feitos no Reator de Isótopos de Alto Fluxo do ORNL.

Com o CARIBU, Allmond pode acelerar um isótopo radioativo e estudá-lo através da excitação de Coulomb, uma técnica que colide núcleos em uma interação puramente eletromagnética, permitindo medições de forma independentes do modelo. Allmond quer entender quais formas são possíveis.

A maioria dos estudos anteriores havia procurado deformação triaxial nos núcleos de ósmio e platina, os melhores candidatos naturais para a morfologia do futebol deflacionado. Allmond pesquisou por deformações em isótopos exóticos de rutênio e molibdênio feitos em feixes radioativos e descobriu que estes também exibiam aquela forma extrema - apesar de terem massas e números de nucleons dramaticamente diferentes.

"Talvez todos os núcleos tenham algum grau de deformação triaxial, "ele postulou." Isso muda nosso entendimento geral e impacta as expectativas para os estados de excitação ainda mais elevados que são experimentalmente muito difíceis de alcançar e sondar. "Por exemplo, se todos os três eixos são diferentes, núcleos podem oscilar, manifestando movimentos com graus de liberdade que as principais teorias não costumam levar em conta.

Além disso, Allmond disse, "Os modelos nucleares que não levam em conta a deformação triaxial não serão capazes de prever com precisão as propriedades do estado fundamental, como massas e tempos de vida. Isso afeta fenômenos como r-processo nucleossíntese, que determina a abundância natural de elementos. "Ele acrescentou, "Além disso, pode impactar o calor de decomposição calculado dentro de um reator nuclear. Dados ausentes devem ser calculados, e esses cálculos são tão bons quanto seus modelos. "

Da pesca à fissão

Allmond, com duas irmãs, cresceu em uma fazenda de cavalos puro-sangue na Geórgia. Seu pai era um farmacêutico, e sua mãe, uma enfermeira. "Parte do meu lado experimental foi desenvolvido quando criança em uma fazenda, ter que consertar coisas rápidas e sujas - engenharia caipira - seja consertar uma cerca elétrica, uma bomba para manter os cochos dos cavalos cheios de água, ou um trator ou motor do cortador de grama quebrado. Tantas coisas precisam ser feitas para que você não fique obcecado em tornar tudo perfeito; apenas certifique-se de que funciona, "ele lembrou." Essa lei dos rendimentos decrescentes ajuda na física, saber quando você alcançou seu objetivo. "

Allmond gostava de pescar em alto mar e mergulho com o pai o suficiente para considerar uma carreira em biologia marinha. Contudo, a melhor universidade para aquele curso era em uma pequena cidade, e Allmond estava pronto para experimentar uma grande cidade. "Eu escolhi Atlanta - e com ela, Georgia Tech, " ele disse.

Como estudante do segundo ano lá, ele aprendeu física com John Wood. "Desde que ele era, em minha mente, o melhor professor lá em termos de paciência e entusiasmo e na forma como ele se comunicava, Senti que a física nuclear era o melhor caminho para mim. "

Allmond fez um projeto de pesquisa de graduação obrigatório estudando a forma do érbio-166 com Wood e continuou com ele para seu doutorado. Depois disso, ele começou uma bolsa de pós-doutorado na Universidade de Richmond com o especialista em estrutura nuclear Con Beausang, que teve uma colaboração com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e enviou Allmond lá em 2007 para fazer experimentos no Ciclotron de 88 polegadas.

Em califórnia, Allmond conheceu David Radford do ORNL, um especialista em detector de raios gama de renome mundial que mais tarde lhe ofereceu uma bolsa de pós-doutorado. Ele também conheceu uma artista que se tornaria sua esposa.

Em 2010, o casal mudou-se para o Tennessee e recentemente comprou uma casa perto de Oak Ridge. A fazenda de sua família fica a apenas 5 horas de distância, se ele quiser andar a cavalo, pescar ou consertar algo.

Forma das coisas que estão por vir

Allmond se tornou um cientista da equipe do ORNL em 2014. Seus estudos locais em Oak Ridge se concentraram em núcleos que são esféricos em números "mágicos" de prótons ou nêutrons. Isso é, esses núcleos têm camadas de prótons e / ou nêutrons preenchidas. Se ambas as camadas de prótons e nêutrons estiverem preenchidas, os físicos dizem que o núcleo é "duplamente mágico".

Allmond usou feixes de íons radioativos do agora extinto Holifield Radioactive Ion Beam Facility e um conjunto de detectores chamado BareBall-CLARION para estudar o estanho-132 duplamente mágico. Ele também liderou um estudo que adicionou dois nêutrons e dois prótons acima de seus fechamentos de prótons e camadas de nêutrons. "Descobrimos que os dois nêutrons parecem estar comandando o show, " ele disse, em termos de movimento do núcleo coletivo e forma ligeiramente deformada de seu núcleo.

Ele agora colabora com o colega físico Gaute Hagen para prever formas nucleares. Hagen usa o supercomputador Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility para realizar cálculos baseados nos primeiros princípios.

"Existem limitações para o que posso medir e o que ele pode calcular, "Allmond disse. Cada um contribui com uma compreensão fundamental que afetará a forma das descobertas que estão por vir.

Allmond atualmente espera ansiosamente pelo DOE's Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), em construção na Michigan State University e deverá iniciar as operações em 2022. Ele é um líder no desenvolvimento de instrumentação para FRIB, em particular a estação de decaimento FRIB, que é liderado pelo ORNL e pela Universidade do Tennessee em Knoxville. Este sistema detector, que será usado para estudar as propriedades de decomposição e estruturas de núcleos exóticos, está em uma posição única para fazer contribuições cruciais para experimentos de descoberta nos limites extremos da existência nuclear no primeiro dia de operações. Isso terá um impacto transformador em nossa compreensão da estrutura nuclear, astrofísica nuclear, simetrias fundamentais, e isótopos para aplicações importantes.