År 1820, Hans Christian Oersted gav en demonstration om el till en klass av avancerade studenter vid Köpenhamns universitet i Danmark. Med en tidig batteriprototyp, han tittade för att se vilken effekt en elektrisk ström skulle ha på en kompass, och eftersom han inte hade hunnit testa sitt experiment i förväg, utfallet var lika okänt för honom som för studenterna. När han slutförde kretsen genom att fästa en enda tråd i båda ändarna av batteriet, den resulterande strömmen fick kompassnålen att ligga i linje med tråden, visar att elektricitet och magnetism var två aspekter av samma fenomen.

Vid generering av en elektrisk ström, Oersted hade skapat en tillfällig magnet - en elektromagnet. Fysiker fortsatte att utveckla elektromagneter för sina experiment, och idag, de finns överallt:i MR -skannrar, högtalare, transformatorer, elmotorer - och partikelacceleratorer.

Acceleratormagneter böjer och formar strålar av subatomära partiklar när de skjuter i hastigheter nära ljusets hastighet. Experter designar magneter så att de kan använda strålen på rätt sätt för att ge den fysik de är ute efter.

Acceleratormagneter - hur fungerar de?

Rörelsen av laddade partiklar - såsom protoner och elektroner - skapar ett magnetfält. Av samma skäl, magnetfält påverkar rörelsen av laddade partiklar. Det är förhållandet som Oersted hjälpte till att avslöja för 200 år sedan och senare skulle forskare komma att definiera:Elektricitet och magnetism är två sidor av samma mynt.

Det är ett fenomen som mänskligheten har utnyttjat för att förändra världen. Det elektriska nätet som driver enheten du använder för att läsa detta härrörde från en förståelse av förhållandet magnetism-elektricitet.

Partikelfysiker har utnyttjat elektromagnetism för att utforska vårt universums ursprung genom att styra partikelstrålar i acceleratorer, krossa dem till ett mål och producera ännu fler partiklar för forskare att studera.

Genom att leda en elektrisk ström genom en lindad tråd, accelerator experter producerar en tillfällig magnet med en nord- och sydpol. Dessa lindade trådar bildar polerna på elektromagneterna som används i acceleratorer. De kan ordnas inte bara i tvåpoliga elektromagneter, men magneter med fyra, sex eller fler poler.

Gör inga misstag:Dessa är inte som dina hushållsmagneter. Acceleratormagneter kan vara lika långa som en pickup - ibland längre - och kan väga ton. Det tar vanligtvis månader att bygga var och en.

Oavsett vilket material som används för att göra dem, acceleratormagneter kan klassificeras efter deras antal poler. De flesta finns i en av fyra typer:Dipolmagneter böjer strålen, fyrdubbar fokuserar strålen, sextupoles korrigerar den ofullkomliga fokuseringen av quadrupoler, och oktupoler kan bidra till att öka stabiliteten hos lagrade partikelstrålar. I acceleratorspråk, dessa är de olika magnetiska "multipolerna" som forskare använder för att manipulera strålar i dessa upptäcktsmotorer.

Dipoler - det är inte lätt rattbalkar

Dipoler är oftast gjorda av två separata lindade trådar med sina nord- och sydpoler mot varandra. När strömmen strömmar genom spolarna, ett enriktat magnetfält bildas i gapet mellan polerna.

"Acceleratorforskare och ingenjörer kan använda det fältet för att böja strålar med laddade partiklar längs en kurva, "sa Jonathan Jarvis, docent vid Fermilab. "Enkelt uttryckt, dipoler är vårt främsta sätt att få balkar dit de behöver gå. "

Om du råkade rida på en proton som gick rakt mot ett magnetfält som pekade nedåt, du och din proton skulle flytta till vänster i en mängd som står i proportion till magnetens fältstyrka. Ju starkare magnetfältet, ju starkare vänster drag du och din proton skulle känna. För vertikala magnetfält, vägen du skulle spåra är en horisontell cirkelbåge.

Dipolmagneter används vanligtvis för att böja partikelstrålar. I en cirkulär accelerator, till exempel, flera dipolmagneter är uppställda längs strålbanan. Partikelstrålen rör sig genom den ena efter den andra, bli knuffad i en riktning med varje passering så att den följer kurvan.

Snabbverkande dipoler kan också användas för att "sparka" partikelstrålar in i eller ut ur en cirkulär accelerators huvudstråle.

Fyrbandsstolar - att hålla fokus

Magneter som applicerar en enriktad kraft fungerar bra för att böja partikelstrålar i en viss riktning, men de kan inte behålla en strålform.

"Om vi ​​lämnar strålen för sig själv i dipoler, det kommer att lossna, "Sa Jarvis." Precis som en samling gasmolekyler, en partikelstråle har en temperatur, och den slumpmässiga energin kommer att få partiklarna att naturligt glida isär i en accelerator. Om strålpartiklarna inte återförs samman, då smäller de in i väggarna i vakuumrören där de cirkulerar. "

Så forskare använder fyrpoliga magneter för att åter fokusera de egensinniga partiklarna och föra dem tillbaka i vecket.

Som namnet antyder, fyrdubbar har fyra alternerande poler. De producerar ett speciellt magnetfält som kan föra tillbaka partiklar, liknande hur linser kan böja ljusstrålar till en punkt.

En enda fyrpol fokuserar en stråle i ett plan. Till exempel, en fyrpol kan pressa strålens sidor inåt när den springer genom en accelerator, men-på samma sätt som en klump Play-Doh svarar när du klämmer ihop sidorna-kommer strålen att fokusera åt andra hållet.

Lösningen är att stränga ihop flera fyrdubbar med alternerande orienteringar. Strålen passerar genom en och kläms i horisontell riktning. Sedan passerar den genom nästa och pressas i vertikal riktning. Med varje på varandra följande nypa, det blir fokuserat.

Nettoeffekten är en stabil stråle av partiklar som skramlar fram och tillbaka när de piskar runt acceleratorn.

Av samma skäl, fyrdubbar kan också avfokusera strålar. När partiklar rör sig genom en accelerator, det finns tillfällen då det är bättre för strålen att vara lite mindre tätt packad, minskar sannolikheten för att partiklarna kommer att störa varandra. När strålar passerar genom fyrpolar med svagare magnetstyrka, de får sprida sig först i uppåt-riktningen, sedan i vänster-höger riktning och så vidare tills de är rätt defokuserade.

Sextupoles — färgkorrigering

Precis som dipolmagneter kan böja en stråle men inte kan hålla den fokuserad, fyrdubbar kan fokusera partiklar, men inte alla till samma plats.

Partiklarna som utgör en stråle har lite olika energier.

"Tyvärr, fyrdubbar uppför sig inte exakt likadant för alla strålenergier, "Jarvis sa." En partikel med högre energi påverkas mindre av en fyrdags polig magnetfält än en partikel med lägre energi. "

Resultatet är att partiklar med hög och låg energi fokuseras på olika punkter längs strålens väg. Detta liknar hur vattendroppar böjer olika ljusfärger för att skapa en fantastisk regnbåge.

I fyrdubbar, denna 'kromatiska aberration' ger skillnader i hur snabbt partiklarna studsar fram och tillbaka i acceleratorn, ett fenomen som acceleratorforskare kallar kromaticitet.

"I många fall, att se den fysik vi vill ha, vi måste korrigera kromatiken, och vi gör detta med sextupoles, "Sa Jarvis.

När den är korrekt placerad i gaspedalen, dessa sexpoliga magneter tvingar partiklar med högre energi tillbaka i linje med resten av strålen.

Octupoles - blanda ihop det

Vi har alla haft det ögonblicket:du går ner i en korridor när någon rundar ett hörn och hamnar direkt i din väg. Ni manövrerar båda på ett sätt, sedan en till, sedan tillbaka igen i ett försök att undvika att kollidera, ett möte som kan verka i evigheter. Anledningen till att det är så svårt att komma förbi den andra personen är resultatet av din liknande rörelsehastighet. Om en person rör sig långsammare, eller helt enkelt fortsatte kursen, då skulle detta beteende undertryckas.

Partikelstrålar kan uppvisa liknande typer av kollektivt beteende om de alla oscillerar med samma frekvens.

För att stabilisera situationen, åtta poliga magneter, kallas octupoles, kan användas för att blanda ihop partiklarnas frekvenser. Forskare kallar den resulterande stabiliseringen Landau -dämpning, 'och det ger en partikelstråle med lite naturlig immunitet mot vissa instabila beteenden.

Tyvärr, den ökade stabiliteten och det ökade fokuset med flerpoliga magneter med högre ordning kostar.

"Dessa magneter kan producera skadliga resonanser och minska det totala intervallet av positioner och energier som de lagrade partiklarna får ha, "Sa Jarvis." Om partiklar befinner sig utanför detta område av den så kallade "dynamiska bländaren", då försvinner de från gaspedalen. "

Integrerbar optik och mer

Forskare vid acceleratoranläggningar runt om i världen arbetar för att generera mer produktiva partikelstrålar i sin strävan efter den fysik som ligger till grund för universum.

Ett sätt de gör detta är genom att öka strålens intensitet - antalet partiklar de packar in i en stråle. Men det finns en fångst:När intensiteten ökar, hur strålar beter sig kan bli mycket mer komplext, anstränga gränserna för hur väl traditionella magneter kan begränsa dem.

För att bana väg för nästa generation av partikelfysik, acceleratorforskare på Fermilab överväger fundamentalt nya typer av magneter, sådana som kan hantera ständigt ökande strålintensiteter.

"Dessa olinjära magneter är i själva verket speciella kombinationer av många multipoler, och de har potential att dramatiskt förbättra strålstabiliteten utan att göra avvägningar till enkla oktolar, sa Jarvis.

När forskare fortsätter att skjuta gränserna för magnetteknik, vi kommer att kunna blicka djupare in i den subatomära världen - upptäcka exotiska partiklar som existerar under de mest extrema förhållandena, observera den mystiska omvandlingen av neutrinoer och förfall av muoner, och i slutändan få en bättre förståelse för hur universum började.

Det är förvånande att tro att den ödmjuka magneten är vår inkörsport till några av universums djupaste mysterier, men å andra sidan, det är attraktionskraften.