in 1820, Hans Christian Oersted gaf een demonstratie over elektriciteit voor een klas gevorderde studenten aan de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken. Met behulp van een vroeg batterijprototype, hij keek om te zien welk effect een elektrische stroom zou hebben op een kompas, en aangezien hij geen tijd had gehad om zijn experiment vooraf te testen, de uitkomst was voor hem net zo onbekend als voor zijn studenten. Toen hij het circuit voltooide door een enkele draad aan beide uiteinden van de batterij te bevestigen, de resulterende stroom zorgde ervoor dat de naald van het kompas op één lijn lag met de draad, waaruit blijkt dat elektriciteit en magnetisme twee facetten van hetzelfde fenomeen waren.

Bij het opwekken van een elektrische stroom, Oersted had een tijdelijke magneet gemaakt:een elektromagneet. Natuurkundigen gingen door met het ontwikkelen van elektromagneten voor hun experimenten, en vandaag, ze zijn overal:in MRI-scanners, luidsprekers, transformatoren, elektromotoren en deeltjesversnellers.

Versnellingsmagneten buigen en vormen bundels van subatomaire deeltjes terwijl ze schieten met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. Experts ontwerpen magneten zodat ze de straal precies op de juiste manier kunnen hanteren om de fysica te verkrijgen die ze zoeken.

Versnellingsmagneten - hoe werken ze?

De beweging van geladen deeltjes, zoals protonen en elektronen, creëert een magnetisch veld. Op dezelfde manier, magnetische velden beïnvloeden de beweging van geladen deeltjes. Dat is de relatie die Oersted 200 jaar geleden ontdekte en later zouden wetenschappers gaan definiëren:elektriciteit en magnetisme zijn twee kanten van dezelfde medaille.

Het is een fenomeen dat de mensheid heeft uitgebuit met een wereldveranderend effect. Het elektriciteitsnet dat het apparaat dat je gebruikt om dit te lezen van stroom voorziet, is ontstaan ​​uit een goed begrip van de relatie tussen magnetisme en elektriciteit.

Deeltjesfysici hebben elektromagnetisme aangewend om de oorsprong van ons universum te onderzoeken door deeltjesbundels in versnellers te controleren, ze op een doelwit slaan en nog meer deeltjes produceren die wetenschappers kunnen bestuderen.

Door een elektrische stroom door een opgerolde draad te leiden, versnellerexperts maken een tijdelijke magneet met een noord- en een zuidpool. Deze opgerolde draden vormen de polen van de elektromagneten die in versnellers worden gebruikt. Ze kunnen niet alleen worden gerangschikt in tweepolige elektromagneten, maar magneten met vier, zes of zelfs meer palen.

Vergis je niet:deze zijn niet zoals je huismagneten. Acceleratormagneten kunnen net zo lang zijn als een pick-uptruck - soms langer - en kunnen tonnen wegen. Het duurt meestal maanden om ze allemaal te bouwen.

Ongeacht de gebruikte materialen om ze te maken, versnellingsmagneten kunnen worden geclassificeerd op basis van hun aantal polen. De meeste komen in een van de vier typen:dipoolmagneten buigen de straal, quadrupolen focussen de straal, sextupolen corrigeren de onvolmaakte scherpstelling van quadrupolen, en octupolen kunnen de stabiliteit van opgeslagen deeltjesbundels helpen vergroten. In versnellerjargon, dit zijn de verschillende magnetische "multipolen" die wetenschappers gebruiken om bundels in deze ontdekkingsmachines te manipuleren.

Dipolen - het is niet gemakkelijk om stralen te sturen

Dipolen zijn meestal gemaakt van twee afzonderlijke opgerolde draden met hun noord- en zuidpool tegenover elkaar. Als er stroom door de spoelen loopt, een unidirectioneel magnetisch veld vormt zich in de opening tussen de polen.

"Acceleratorwetenschappers en ingenieurs kunnen dat veld gebruiken om bundels van geladen deeltjes langs een curve te buigen, " zei Jonathan Jarvis, een associate scientist bij Fermilab. "Simpel gezegd, dipolen zijn onze belangrijkste manier om stralen te krijgen waar ze heen moeten."

Als je toevallig op een proton rijdt dat recht op een magnetisch veld afkomt dat naar beneden wijst, jij en je proton zouden naar links bewegen in een hoeveelheid die evenredig is aan de veldsterkte van de magneet. Hoe sterker het magnetische veld, hoe sterker het naar links zou trekken en je proton zou voelen. Voor verticale magnetische velden, het pad dat je zou uittekenen is een horizontale cirkelboog.

Dipoolmagneten worden meestal gebruikt om deeltjesbundels te buigen. In een cirkelvormige versneller, bijvoorbeeld, meerdere dipoolmagneten zijn opgesteld langs het straalpad. De deeltjesbundel beweegt de een na de ander, bij elke pas in één richting worden geduwd, zodat het de curve volgt.

Snelwerkende dipolen kunnen ook worden gebruikt om deeltjesbundels in of uit de hoofdbundel van een cirkelvormige versneller te "schoppen".

Quadrupolen - gefocust blijven

Magneten die een unidirectionele kracht uitoefenen, werken goed voor het buigen van deeltjesbundels in een bepaalde richting, maar ze kunnen de vorm van een balk niet behouden.

"Als we de straal aan zijn lot overlaten in dipolen, het zal uit elkaar vallen, "Zei Jarvis. "Net als een verzameling gasmoleculen, een bundel deeltjes heeft een temperatuur, en die willekeurige energie zal ervoor zorgen dat de deeltjes op natuurlijke wijze uit elkaar drijven in een versneller. Als de bundeldeeltjes niet weer bij elkaar worden gebracht, dan zullen ze tegen de wanden van de vacuümbuizen slaan waar ze circuleren."

Dus gebruiken wetenschappers quadrupoolmagneten om de eigenzinnige deeltjes opnieuw te focussen en terug in de plooi te brengen.

Zoals de naam impliceert, quadrupolen hebben vier wisselpolen. Ze produceren een speciaal magnetisch veld dat deeltjes weer bij elkaar kan brengen, vergelijkbaar met hoe lenzen lichtstralen naar een punt kunnen buigen.

Een enkele quadrupool focust een bundel in één vlak. Bijvoorbeeld, een quadrupool kan de zijkanten van de balk naar binnen knijpen terwijl hij door een versneller raast, maar - vergelijkbaar met de manier waarop een brok Play-Doh reageert wanneer je de zijkanten tegen elkaar drukt - zal de straal in de andere richting onscherp worden.

De oplossing is om meerdere quadrupolen aan elkaar te rijgen met afwisselende oriëntaties. De straal gaat er doorheen en wordt in horizontale richting samengedrukt. Vervolgens gaat het door de volgende en wordt in verticale richting geperst. Met elke volgende snuif, het wordt gefocust.

Het netto-effect is een stabiele straal deeltjes die heen en weer ratelen terwijl ze rond het gaspedaal zwiepen.

Op dezelfde manier, quadrupolen kunnen ook bundels defocusseren. Terwijl deeltjes door een versneller reizen, er zijn momenten waarop het beter is dat de balk iets minder strak wordt gepakt, waardoor de kans kleiner wordt dat de deeltjes met elkaar interfereren. Als bundels door quadrupolen met zwakkere magnetische sterkte gaan, ze mogen zich eerst in opwaartse richting verspreiden, dan in de links-rechts richting enzovoort totdat ze voldoende onscherp zijn.

Sextupolen—kleurcorrectie

Net zoals dipoolmagneten een straal kunnen buigen, maar niet in staat zijn om deze gefocust te houden, quadrupolen kunnen deeltjes focussen, maar niet allemaal op dezelfde locatie.

De deeltjes waaruit een straal bestaat, hebben iets verschillende energieën.

"Helaas, quadrupolen gedragen zich niet precies hetzelfde voor alle bundelenergieën, "Zei Jarvis. "Een deeltje met hogere energie wordt minder beïnvloed door het magnetische veld van een quadrupool dan een deeltje met lagere energie."

Het resultaat is dat hoog- en laagenergetische deeltjes op verschillende punten langs het pad van de bundel worden gefocusseerd. Dit is vergelijkbaar met de manier waarop waterdruppels verschillende kleuren licht buigen om een ​​prachtige regenboog te produceren.

In vierpolen, deze 'chromatische aberratie' zorgt voor verschillen in hoe snel de deeltjes heen en weer stuiteren in de versneller, een fenomeen dat bij versnellerwetenschappers bekend staat als chromaticiteit.

"Vaak, om de fysica te zien die we willen, we moeten de kleurkwaliteit corrigeren, en we doen dit met sextupolen, ' zei Jarvis.

Wanneer correct in het gaspedaal geplaatst, deze zespolige magneten dwingen hogere energiedeeltjes terug in lijn met de rest van de straal.

Octupoles - het door elkaar halen

We hebben allemaal dat moment gehad:je loopt door een gang wanneer iemand een hoek omgaat en direct op je pad komt. Jullie manoeuvreren allebei een kant op, Dan een andere, dan weer terug in een poging een botsing te vermijden, een ontmoeting die eeuwen lijkt te duren. De reden waarom het zo moeilijk is om voorbij de andere persoon te komen, is het resultaat van je vergelijkbare bewegingssnelheden. Als een persoon langzamer bewoog, of gewoon bij de les gebleven, dan zou dit gedrag onderdrukt worden.

Deeltjesbundels kunnen een soortgelijk collectief gedrag vertonen als ze allemaal met dezelfde frequentie oscilleren.

Om de situatie te stabiliseren, achtpolige magneten, octupolen genoemd, kan worden gebruikt om de frequenties van de deeltjes door elkaar te halen. Wetenschappers noemen de resulterende stabilisatie 'Landau-demping, ' en het geeft een deeltjesstraal een beetje natuurlijke immuniteit tegen onstabiel gedrag.

Helaas, de verhoogde stabiliteit en verbeterde focus die worden verleend door meerpolige magneten van hogere orde, brengen kosten met zich mee.

"Deze magneten kunnen schadelijke resonanties produceren en het totale bereik van posities en energieën verminderen die de opgeslagen deeltjes mogen hebben, "Zei Jarvis. "Als deeltjes zich buiten dit bereik van het zogenaamde 'dynamische diafragma' bevinden, dan gaan ze verloren van het gaspedaal."

Integreerbare optica en meer

Wetenschappers van versnellerfaciliteiten over de hele wereld werken aan het genereren van productievere deeltjesbundels in hun zoektocht naar de fysica die ten grondslag ligt aan het universum.

Een manier waarop ze dit doen, is door de intensiteit van de straal te verhogen - het aantal deeltjes dat ze in een straal stoppen. Maar er is een addertje onder het gras:naarmate de intensiteit toeneemt, de manier waarop balken zich gedragen kan veel complexer worden, de grenzen verleggen van hoe goed traditionele magneten ze kunnen beperken.

Om de weg vrij te maken voor de volgende generatie deeltjesfysica, versnellerwetenschappers bij Fermilab overwegen fundamenteel nieuwe soorten magneten, die de steeds toenemende bundelintensiteiten aankunnen.

"Deze niet-lineaire magneten zijn in feite speciale combinaties van vele multipolen, en ze hebben het potentieel om de straalstabiliteit drastisch te verbeteren zonder de afwegingen te maken die inherent zijn aan eenvoudige octupolen, ' zei Jarvis.

Terwijl wetenschappers de grenzen van magneettechnologie blijven verleggen, we zullen dieper in de subatomaire wereld kunnen kijken - exotische deeltjes ontdekken die alleen in de meest extreme omstandigheden bestaan, observeren van de mysterieuze transformatie van neutrino's en het verval van muonen, en uiteindelijk tot een beter begrip komen van hoe het universum begon.

Het is verrassend om te bedenken dat de nederige magneet onze toegangspoort is tot enkele van de diepste mysteries van het universum, maar dan opnieuw, dat is de aantrekkingskracht.