Le physicien de l'ORNL, Mitch Allmond, construit des modèles et mène des expériences pour découvrir quelles formes de noyaux atomiques sont possibles. Crédit :Carlos Jones/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Dans la division de physique du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, James ("Mitch") Allmond mène des expériences et utilise des modèles théoriques pour faire progresser notre compréhension de la structure des noyaux atomiques, qui sont constitués de diverses combinaisons de protons et de neutrons (nucléons).
"Je me concentre sur la description de la façon dont les nucléons s'organisent et quels modèles émergent de ces organisations, " a déclaré Allmond.
Alors que les chimistes organisent les éléments atomiques par le nombre de protons qu'ils contiennent, qui dicte les orbites des électrons et les réactivités chimiques, des physiciens comme Allmond organisent les noyaux atomiques en fonction du nombre de protons et de neutrons qu'ils possèdent.
Au sein d'un noyau, chaque nucléon suit un "champ moyen" généré par les autres nucléons. Les protons et les neutrons s'organisent chacun en coquilles de différents niveaux d'énergie, comme le font les électrons. Les nucléons rejoignant un nouveau noyau tombent à l'énergie la plus basse à l'intérieur d'une coquille vide que les lois de la physique permettent. Les interactions résiduelles entre les nucléons peuvent faire passer les noyaux de formes sphériques à des formes déformées.
Comportement collectif
Quand les coquilles sont pleines, le mouvement des nucléons est restreint, comme celle des coureurs debout dans un bus bondé. Quand les coquilles ne sont pas pleines, les nucléons sont plus libres de se déplacer, rassembler ensemble, et commencez à vous comporter collectivement.
Allmond modélise souvent les noyaux comme un tout collectif - une goutte liquide tournant le long de trois axes - et effectue des mesures de précision pour tester ses modèles. Si les longueurs de tous les axes sont identiques, le noyau a la forme d'un ballon de basket; ses coquilles sont pleines de nucléons. Si un axe est plus long que deux autres axes égaux, le noyau est déformé en forme de ballon de football américain; ses coquilles ne sont que partiellement remplies. Si les trois axes sont de longueurs différentes, le résultat est un rotor triaxial en forme de ballon de football dégonflé. Les preuves de cette dernière forme restent rares et débattues.
Allmond se rend souvent au laboratoire national d'Argonne dans l'Illinois pour des expériences au système d'accélérateur linéaire en tandem d'Argonne (ATLAS). Là, il utilise des faisceaux radioactifs à l'installation Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU) avec des détecteurs de particules et de rayons gamma de pointe pour étudier les produits de fission riches en neutrons du californium-252 fabriqués dans le réacteur isotopique à haut flux de l'ORNL.
Avec CARIBU, Allmond peut accélérer un isotope radioactif et l'étudier par excitation coulombienne, une technique qui fait entrer en collision des noyaux dans une interaction purement électromagnétique, permettant des mesures de forme indépendantes du modèle. Allmond veut comprendre quelles formes sont possibles.
Allmond étudie les interactions entre les nucléons qui peuvent faire passer des noyaux de formes sphériques à des formes déformées. Crédit :Carlos Jones/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
La plupart des études antérieures avaient recherché une déformation triaxiale des noyaux d'osmium et de platine, les meilleurs candidats naturels pour la morphologie du football dégonflé. Allmond a recherché des déformations dans des isotopes exotiques de ruthénium et de molybdène fabriqués dans des faisceaux radioactifs et a découvert que ceux-ci présentaient également cette forme extrême, malgré des masses et des nombres de nucléons très différents.
"Peut-être que tous les noyaux ont un certain degré de déformation triaxiale, " Il a posé. " Cela change notre compréhension générale et a un impact sur les attentes pour les états excités encore plus élevés qui sont expérimentalement très difficiles à atteindre et à sonder. " Par exemple, si les trois axes sont différents, les noyaux peuvent vaciller, manifester des mouvements avec des degrés de liberté que les théories dominantes ne prennent généralement pas en compte.
De plus, Allmond a dit, "Les modèles nucléaires qui ne prennent pas en compte la déformation triaxiale ne seront pas en mesure de prédire avec précision les propriétés de l'état fondamental telles que les masses et les durées de vie. Cela a un impact sur des phénomènes tels que r-processus nucléosynthèse, qui détermine l'abondance naturelle des éléments. "Au-delà de ça, il peut avoir un impact sur la chaleur de désintégration calculée dans un réacteur nucléaire. Les données manquantes doivent être calculées, et ces calculs sont aussi bons que vos modèles."
De la pêche à la fission
Allmond, avec deux soeurs, a grandi dans une ferme équestre de pur-sang en Géorgie. Son père était pharmacien, et sa mère, une infirmière. "Une partie de mon côté expérimental a été développé quand j'étais enfant dans une ferme, devoir installer des trucs rapides et sales - ingénierie redneck - qu'il s'agisse de réparer une clôture électrique, une pompe pour garder les abreuvoirs des chevaux pleins d'eau, ou un tracteur ou un moteur de tondeuse à gazon cassé. Tant de choses doivent être faites que vous n'êtes pas obsédé par le fait de tout rendre parfait; tu t'assures juste que ça marche, " se souvient-il. " Cette loi des rendements décroissants est utile en physique, savoir quand vous avez atteint votre objectif."
Allmond aimait suffisamment la pêche en haute mer et la plongée sous-marine avec son père pour envisager une carrière en biologie marine. Cependant, la meilleure université pour cette majeure était dans une petite ville, et Allmond était prêt à découvrir une grande ville. "J'ai choisi Atlanta et avec elle, Géorgie Tech, " il a dit.
En deuxième année là-bas, il a pris la physique de John Wood. « Depuis qu'il l'était, dans mon esprit, le meilleur professeur là-bas en termes de patience et d'enthousiasme et juste la façon dont il a communiqué, J'avais l'impression que la physique nucléaire était la meilleure voie pour moi."
Allmond a effectué un projet de recherche de premier cycle obligatoire en étudiant la forme de l'erbium-166 avec Wood et a continué avec lui pour son doctorat. Après ça, il a commencé une bourse postdoctorale à l'Université de Richmond avec l'expert en structure nucléaire Con Beausang, qui avait une collaboration avec Lawrence Berkeley National Laboratory et y a envoyé Allmond en 2007 pour faire des expériences au cyclotron de 88 pouces.
En Californie, Allmond a rencontré David Radford de l'ORNL, un expert en détecteurs de rayons gamma de renommée mondiale qui lui a ensuite offert une bourse postdoctorale. Il rencontre également une artiste qui deviendra sa femme.
En 2010, le couple a déménagé dans le Tennessee et a récemment acheté une maison près d'Oak Ridge. La ferme familiale n'est qu'à 5 heures de route s'il a envie de faire de l'équitation, pêcher ou réparer quelque chose.
Prospection des déformations dans les isotopes exotiques du ruthénium et du molybdène, Allmond a découvert qu'ils affichaient une morphologie de football dégonflé. Crédit :Carlos Jones/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Forme des choses à venir
Allmond est devenu membre du personnel scientifique de l'ORNL en 2014. Ses études locales à Oak Ridge se sont concentrées sur les noyaux sphériques à un nombre « magique » de protons ou de neutrons. C'est-à-dire, ces noyaux ont rempli des coquilles de protons et/ou de neutrons. Si les coquilles de protons et de neutrons sont remplies, les physiciens disent que le noyau est « doublement magique ».
Allmond a utilisé des faisceaux d'ions radioactifs de l'ancienne installation de faisceaux d'ions radioactifs Holifield de l'ORNL et un réseau de détecteurs appelé BareBall-CLARION pour étudier l'étain-132 doublement magique. Il a également dirigé une étude qui a ajouté deux neutrons et deux protons au-dessus de ses fermetures complètes d'enveloppes de protons et de neutrons. "Nous avons découvert que les deux neutrons semblent diriger le spectacle, " il a dit, en termes de mouvement collectif du nucléon et de forme légèrement déformée de son noyau.
Il collabore maintenant avec son collègue physicien Gaute Hagen pour prédire les formes nucléaires. Hagen utilise le supercalculateur Summit de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility pour effectuer des calculs basés sur les premiers principes.
"Il y a des limites à ce que je peux mesurer et à ce qu'il peut calculer, ", a déclaré Allmond. Chacun contribue à une compréhension fondamentale qui affectera la forme des découvertes à venir.
Allmond attend actuellement avec impatience l'installation du DOE pour les faisceaux d'isotopes rares (FRIB), en construction à la Michigan State University et devrait commencer ses opérations en 2022. Il est un leader dans le développement d'instruments pour FRIB, en particulier la FRIB Decay Station, qui est dirigé par l'ORNL et l'Université du Tennessee à Knoxville. Ce système de détection, qui sera utilisé pour étudier les propriétés de désintégration et les structures des noyaux exotiques, est particulièrement bien placé pour apporter des contributions cruciales aux expériences de découverte aux limites extrêmes de l'existence nucléaire le premier jour des opérations. Il aura un impact transformateur sur notre compréhension de la structure nucléaire, l'astrophysique nucléaire, symétries fondamentales, et des isotopes pour des applications importantes.
