Tiltrækningskraften:Magneter i partikelacceleratorer

I 1820, Hans Christian Ørsted gav en demonstration om elektricitet for en klasse af viderekomne studerende på Københavns Universitet i Danmark. Ved at bruge en tidlig batteriprototype, han så for at se, hvilken effekt en elektrisk strøm ville have på et kompas, og da han ikke havde haft tid til at teste sit eksperiment på forhånd, resultatet var lige så ukendt for ham, som det var for hans elever. Da han afsluttede kredsløbet ved at fastgøre en enkelt ledning til begge ender af batteriet, den resulterende strøm fik kompassets nål til at flugte med ledningen, viser, at elektricitet og magnetisme var to facetter af det samme fænomen.

Ved frembringelse af en elektrisk strøm, Oersted havde skabt en midlertidig magnet - en elektromagnet. Fysikere fortsatte med at udvikle elektromagneter til deres eksperimenter, og i dag, de er overalt:i MR-scannere, højttalere, transformere, elektriske motorer – og partikelacceleratorer.

Acceleratormagneter bøjer og former bjælker af subatomære partikler, når de skyder med hastigheder tæt på lysets hastighed. Eksperter designer magneter, så de kan svinge strålen på den helt rigtige måde for at give den fysik, de leder efter.

Acceleratormagneter – hvordan fungerer de?

Bevægelsen af ​​ladede partikler - såsom protoner og elektroner - skaber et magnetfelt. Af samme grund, magnetiske felter påvirker bevægelsen af ​​ladede partikler. Det er forholdet Ørsted var med til at afdække for 200 år siden, og senere videnskabsmænd ville komme til at definere:Elektricitet og magnetisme er to sider af samme sag.

Det er et fænomen, som menneskeheden har udnyttet til en verdensforandrende effekt. Det elektriske net, der driver den enhed, du bruger til at læse dette, opstod fra en forståelse af forholdet mellem magnetisme og elektricitet.

Partikelfysikere har udnyttet elektromagnetisme til at udforske oprindelsen af ​​vores univers ved at kontrollere partikelstråler i acceleratorer, smadre dem til et mål og producere endnu flere partikler, som forskerne kan studere.

Ved at lede en elektrisk strøm gennem en oprullet ledning, accelerator eksperter producerer en midlertidig magnet med en nord- og sydpol. Disse oprullede ledninger danner polerne for de elektromagneter, der bruges i acceleratorer. De kan arrangeres ikke kun i to-polede elektromagneter, men magneter med fire, seks eller endda flere stænger.

Tag ikke fejl:Disse ligner ikke dine husholdningsmagneter. Acceleratormagneter kan være lige så lange som en pickup truck - nogle gange længere - og kan veje tons. Det tager normalt måneder at bygge hver enkelt.

Uanset de materialer, der bruges til at fremstille dem, acceleratormagneter kan klassificeres efter deres antal poler. De fleste kommer i en af ​​fire typer:Dipolmagneter bøjer strålen, quadrupoler fokuserer strålen, sekstupoler korrigerer den ufuldkomne fokusering af kvadrupoler, og octupoler kan hjælpe med at øge stabiliteten af ​​lagrede partikelstråler. På acceleratorsprog, det er de forskellige magnetiske "multipoler", som videnskabsmænd bruger til at manipulere stråler i disse opdagelsesmotorer.

Dipoler - det er ikke let at styre bjælker

Dipoler er oftest lavet af to separate oprullede ledninger med deres nord- og sydpoler mod hinanden. Når strømmen strømmer gennem spolerne, der dannes et ensrettet magnetfelt i mellemrummet mellem polerne.

"Acceleratorforskere og ingeniører kan bruge dette felt til at bøje ladede partikelstråler langs en kurve, "sagde Jonathan Jarvis, en lektor ved Fermilab. "Simpelt sagt, dipoler er vores vigtigste måde at få bjælker til, hvor de skal hen."

Hvis du tilfældigvis kørte på en proton på vej direkte mod et magnetfelt, der peger nedad, du og din proton ville bevæge sig til venstre i en mængde, der er proportional med magnetens feltstyrke. Jo stærkere magnetfelt, jo stærkere trækker du til venstre, og din proton ville føles. For lodrette magnetfelter, stien, du ville spore ud, er en vandret cirkelbue.

Dipolmagneter bruges normalt til at bøje partikelstråler. I en cirkulær accelerator, for eksempel, flere dipolmagneter er linet op langs strålegangen. Partikelstrålen bevæger sig igennem den ene efter den anden, bliver rykket i én retning for hver gang, så den følger kurven.

Hurtigt virkende dipoler kan også bruges til at "sparke" partikelstråler ind i eller ud af en cirkulær accelerators hovedstråle.

Quadrupoles - at holde fokus

Magneter, der anvender en ensrettet kraft, fungerer godt til at bøje partikelstråler i en bestemt retning, men de er ikke i stand til at bevare en bjælkes form.

"Hvis vi overlader strålen til sig selv i dipoler, det vil gå fra hinanden, " sagde Jarvis. "Ligesom en samling af gasmolekyler, en stråle af partikler har en temperatur, og at tilfældig energi vil få partiklerne til naturligt at drive fra hinanden i en accelerator. Hvis strålepartiklerne ikke bringes sammen igen, så vil de smække ind i væggene på vakuumrørene, hvor de cirkulerer."

Så forskere bruger firpolsmagneter til at fokusere de egensindige partikler og bringe dem tilbage i folden.

Som navnet antyder, firrupoler har fire skiftevis poler. De producerer et særligt magnetfelt, der kan bringe partikler sammen igen, ligner hvordan linser kan bøje lysstråler til et punkt.

En enkelt firpol fokuserer en stråle i et plan. For eksempel, en quadrupol kan presse siderne af strålen indad, når den kører gennem en accelerator, men - på samme måde som en klump Play-Doh reagerer, når du klemmer siderne sammen - vil strålen defokusere i den anden retning.

Løsningen er at snor flere firpoler sammen med skiftevis orientering. Strålen passerer gennem en og klemmes i vandret retning. Derefter passerer den gennem den næste og klemmes i lodret retning. Med hvert efterfølgende klem, det bliver fokuseret.

Nettoeffekten er en stabil stråle af partikler, der rasler frem og tilbage, mens de pisker rundt på speederen.

Af samme grund, quadrupoler kan også defokusere stråler. Når partikler bevæger sig gennem en accelerator, der er tidspunkter, hvor det er bedre for bjælken at være lidt mindre tæt pakket, mindske sandsynligheden for, at partiklerne interfererer med hinanden. Når bjælker passerer gennem firrupoler med svagere magnetisk styrke, de får lov til at sprede sig først i opadgående retning, derefter i venstre-højre retning og så videre, indtil de er passende ufokuserede.

Sextupoler - farvekorrektion

Ligesom dipolmagneter kan bøje en stråle, men ikke er i stand til at holde den fokuseret, quadrupoler kan fokusere partikler, men ikke alle til samme sted.

De partikler, der udgør en stråle, har lidt forskellige energier.

"Desværre, quadrupoler opfører sig ikke nøjagtigt ens for alle stråleenergier, " sagde Jarvis. "En partikel med højere energi er mindre påvirket af en quadrupols magnetfelt end en partikel med lavere energi."

Resultatet er, at høj- og lavenergipartikler fokuseres på forskellige punkter langs strålens vej. Dette svarer til den måde vanddråber bøjer forskellige farver af lys for at producere en fantastisk regnbue.

I firrupoler, denne 'kromatiske aberration' frembringer forskelle i, hvor hurtigt partiklerne hopper frem og tilbage i acceleratoren, et fænomen, der kendes af acceleratorforskere som kromatik.

"I mange tilfælde, at se den fysik, vi ønsker, vi er nødt til at korrigere kromaticiteten, og vi gør dette ved at bruge sekstupoler, " sagde Jarvis.

Når den er korrekt placeret i speederen, disse seks-polede magneter tvinger partikler med højere energi tilbage på linje med resten af ​​strålen.

Octupoler - blander det sammen

Vi har alle haft det øjeblik:du går ned ad en gang, når nogen runder et hjørne og ender direkte på din vej. I manøvrerer begge én vej, så en anden, så tilbage igen i et forsøg på at undgå at kollidere, et møde, der kan synes at vare i evigheder. Grunden til at det er så svært at komme forbi den anden person er resultatet af dine lignende bevægelseshastigheder. Hvis en person bevægede sig langsommere, eller blot holdt kursen, så ville denne adfærd blive undertrykt.

Partikelstråler kan udvise lignende former for kollektiv adfærd, hvis de alle oscillerer med samme frekvens.

For at stabilisere situationen, otte-polede magneter, kaldet octupoles, kan bruges til at blande partiklernes frekvenser. Forskere kalder den resulterende stabilisering 'Landau-dæmpning, ' og det giver en partikelstråle med en smule naturlig immunitet mod ustabil adfærd.

Desværre, den øgede stabilitet og forbedrede fokus, der gives af højere ordens multipolmagneter, har en pris.

"Disse magneter kan producere skadelige resonanser og reducere det overordnede område af positioner og energier, som de lagrede partikler må have, " sagde Jarvis. "Hvis partikler befinder sig uden for dette område af den såkaldte 'dynamiske blænde', så vil de gå tabt fra speederen. "

Integrerbar optik og mere

Forskere ved acceleratoranlæg rundt om i verden arbejder på at generere mere produktive partikelstråler i deres stræben efter den fysik, der understøtter universet.

En måde de gør dette på er ved at øge strålens intensitet - antallet af partikler, de pakker ind i en stråle. Men der er en hage:Efterhånden som intensiteten stiger, måden bjælker opfører sig kan blive meget mere kompleks, spænder grænserne for, hvor godt traditionelle magneter kan begrænse dem.

For at bane vejen for den næste generation af partikelfysik, acceleratorforskere på Fermilab overvejer fundamentalt nye typer magneter, dem, der kan klare stadigt stigende stråleintensiteter.

"Disse ikke-lineære magneter er faktisk specielle kombinationer af mange multipoler, og de har potentialet til dramatisk at forbedre strålestabiliteten uden at gøre de afvejninger, der ligger i simple octupoler, " sagde Jarvis.

Mens forskere fortsætter med at skubbe grænserne for magnetteknologi, vi vil være i stand til at kigge dybere ind i den subatomære verden – opdage eksotiske partikler, der kun eksisterer under de mest ekstreme forhold, observere den mystiske transformation af neutrinoer og forfald af muoner, og i sidste ende komme til en bedre forståelse af, hvordan universet begyndte.

Det er overraskende at tro, at den ydmyge magnet er vores port til nogle af universets dybeste mysterier, men så igen, det er tiltrækningskraften.