1820年奧斯特在丹麥哥本哈根大學(xué)向一班高年級(jí)學(xué)生進(jìn)行了電學(xué)實(shí)驗(yàn)演示：使用早期的電池原型，奧斯特想看看電流對(duì)指南針會(huì)有什么影響，因?yàn)閵W斯特事先沒(méi)有時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果對(duì)奧斯特和他的學(xué)生來(lái)說(shuō)都是未知的。

當(dāng)奧斯特通過(guò)在電池兩端接上一根電線來(lái)完成閉合電路時(shí)，產(chǎn)生的電流使指南針的指針與電線排成一條線，表明電和磁是同一現(xiàn)象的兩個(gè)方面。

在產(chǎn)生電流的過(guò)程中，奧斯特德創(chuàng)造了一種臨時(shí)磁鐵：電磁鐵。物理學(xué)家繼續(xù)為他們的實(shí)驗(yàn)開發(fā)電磁鐵，今天，他們無(wú)處不在：在MRI掃描儀、揚(yáng)聲器、變壓器、電動(dòng)馬達(dá)和粒子加速器中。當(dāng)亞原子粒子束以接近光速的速度射出時(shí)，加速器磁鐵會(huì)彎曲和塑造光束。物理學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了各種各樣的磁鐵，這樣就能以想要的方式使用光束，產(chǎn)生他們想要的物理效果。

加速器磁鐵是如何工作的？

帶電粒子（如質(zhì)子和電子）的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)；同樣，磁場(chǎng)也會(huì)影響帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，這就是奧斯特德200年前試驗(yàn)揭示的關(guān)系，后來(lái)科學(xué)家們開始定義：電和磁是一枚硬幣的兩面，這是人類利用來(lái)改變世界的一種現(xiàn)象，為你用來(lái)看本文的手機(jī)設(shè)備供電電網(wǎng)源于對(duì)磁電關(guān)系的理解，粒子物理學(xué)家已經(jīng)利用電磁學(xué)來(lái)探索我們宇宙的起源。

其方法是控制加速器中的粒子束，將它們撞擊到一個(gè)目標(biāo)上，并產(chǎn)生更多的粒子供科學(xué)家研究。通過(guò)通過(guò)線圈傳遞電流，加速器專家制造出一種帶有北極和南極的電磁鐵。這些纏繞的導(dǎo)線形成了加速器中使用的電磁鐵極點(diǎn)。它們不僅可以排列成兩極電磁鐵，還可以排列成四極、六極甚至更多極的磁鐵。但這些不像家用磁鐵，加速器磁鐵可以和一輛皮卡一樣長(zhǎng)甚至更長(zhǎng)。

同時(shí)還可以重達(dá)數(shù)噸，通常需要幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)建造每一個(gè)。不管制造加速器磁鐵的材料是什么，加速器磁鐵都可以根據(jù)它們的極數(shù)進(jìn)行分類。大多數(shù)來(lái)自四種類型：偶極磁鐵彎曲光束，四極聚焦光束，六極糾正四極的不完美聚焦，八極有助于提高存儲(chǔ)的粒子束的穩(wěn)定性。用加速器術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，這些是科學(xué)家們用來(lái)操縱這些發(fā)現(xiàn)引擎中光束的不同磁性“多極”。

偶極子轉(zhuǎn)向光束

偶極子最常見(jiàn)的是由兩根分開的線圈組成，它們的北極和南極面向?qū)Ψ?，?dāng)電流流過(guò)線圈時(shí)，在兩極之間的間隙中形成單向磁場(chǎng)。加速器科學(xué)家和工程師可以利用這個(gè)磁場(chǎng)將帶電粒子束沿著曲線彎曲。簡(jiǎn)而言之，偶極子是把光束送到它們需要去的地方的主要方式。如果你碰巧騎在一個(gè)質(zhì)子上，直奔一個(gè)指向下方的磁場(chǎng)，你和質(zhì)子會(huì)以與磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的量向左移動(dòng)。

磁場(chǎng)越強(qiáng)，向左拉你和質(zhì)子的感覺(jué)（力）就越強(qiáng)，對(duì)于垂直磁場(chǎng)，畫出的路徑是水平圓弧。偶極磁鐵通常用來(lái)彎曲粒子束，例如在圓形加速器中，多個(gè)偶極磁鐵沿著束流路徑排成一排。粒子束一個(gè)接一個(gè)地通過(guò)，每次通過(guò)都會(huì)在一個(gè)方向上被輕推，這樣它就會(huì)沿著曲線移動(dòng)?？焖僮饔门紭O子也可以用來(lái)將粒子束“踢”進(jìn)或踢出圓形加速器的主光束。

四極磁鐵聚焦光束

施加單向力的磁鐵可以很好地使粒子束向特定方向彎曲，但它們不能保持粒子束的形狀。如果把光束放在偶極子里，任由它自己擺布，它就會(huì)分崩離析。就像氣體分子的集合一樣，粒子束有溫度，這種隨機(jī)的能量會(huì)導(dǎo)致粒子在加速器中自然漂移。如果沒(méi)有把粒子束帶回一起，那么它們就會(huì)撞到它們正在循環(huán)的真空管壁上。因此，科學(xué)家們使用四極磁鐵來(lái)重新聚焦這些任性的粒子，并將它們帶回折疊中。

顧名思義，四極桿有四個(gè)交替的極，它們會(huì)產(chǎn)生一種特殊的磁場(chǎng)，可以將粒子重新聚集在一起，就像透鏡可以將光線彎曲到一個(gè)點(diǎn)上一樣。單個(gè)四極桿將一束光束聚焦在一個(gè)平面上，例如四極桿在穿過(guò)加速器時(shí)可以將光束的兩側(cè)向內(nèi)擠壓，但-類似于Play-Doh塊在兩邊擠壓在一起時(shí)的反應(yīng)方式——光束將朝著另一個(gè)方向散焦。解決方案是將多個(gè)方向交替的四極桿串在一起，光束穿過(guò)其中一個(gè)，在水平方向上被擠壓。

然后它穿過(guò)下一個(gè)，在垂直方向上被擠壓，隨著每一次連續(xù)的擠壓，它都會(huì)變得聚焦。凈效應(yīng)是一束穩(wěn)定的粒子束，當(dāng)它們繞著加速器旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們來(lái)回嘎嘎作響。同樣，四極桿也可以使光束散焦，當(dāng)粒子通過(guò)加速器時(shí)，有時(shí)光束的密實(shí)程度稍低一些會(huì)更好，從而降低粒子相互干擾的可能性。當(dāng)光束通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱的四極桿時(shí)，能首先在上下方向上展開，然后在左右方向上展開，以此類推，直到它們被適當(dāng)?shù)厣⒔埂?/p>

六極磁鐵校正

就像偶極磁鐵可以使光束彎曲但不能保持聚焦一樣，四極磁鐵可以使粒子聚焦，但不是全部聚焦到同一位置，因?yàn)闃?gòu)成光束的粒子的能量略有不同。不幸的是，對(duì)于所有的光束能量，四極磁體的行為并不完全相同，與低能粒子相比，高能粒子受四極磁場(chǎng)的影響較小。結(jié)果是高能粒子和低能粒子沿著光束路徑聚焦在不同的點(diǎn)上，這類似于水滴彎曲不同顏色的光以產(chǎn)生令人驚嘆的彩虹方式。

在四極磁體中，這種“色差”會(huì)導(dǎo)致粒子在加速器中來(lái)回反彈的速度不同，這一現(xiàn)象被加速器科學(xué)家稱為色度。在許多情況下，為了看到想要的物理效果，必須校正色度，所以科學(xué)家們使用六極桿來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。當(dāng)正確放置在加速器中時(shí)，這些六極磁鐵會(huì)迫使較高能量的粒子重新與光束的其余部分對(duì)準(zhǔn)。

八極磁體提高穩(wěn)定性

我們都有過(guò)這樣的時(shí)刻：當(dāng)你走在走廊上時(shí)，有人轉(zhuǎn)過(guò)拐角，直接走到了你的面前，你們兩個(gè)人都朝一個(gè)方向移動(dòng)，然后又朝另一個(gè)方向移動(dòng)，然后又返回，試圖避免碰撞，這種相遇似乎會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。很難超過(guò)另一個(gè)人的原因是：相似的移動(dòng)速度造成。如果一個(gè)人走得更慢，或者只是停留在原地，那么這種行為就會(huì)被抑制。如果粒子束都以相同的頻率振蕩，它們可以表現(xiàn)出類似的集體行為。

為了穩(wěn)定這種情況，可以使用稱為八極的八極磁鐵來(lái)混合穩(wěn)定粒子的頻率，科學(xué)家稱由此產(chǎn)生的穩(wěn)定為“朗道阻尼”，它為粒子束提供了對(duì)一些不穩(wěn)定行為的天然免疫力。不幸的是，高階多極磁鐵增加的穩(wěn)定性和增強(qiáng)的聚焦是有代價(jià)的：這些磁鐵會(huì)產(chǎn)生有害的共振，降低儲(chǔ)存粒子所允許的位置和能量的整體范圍。如果粒子發(fā)現(xiàn)自己超出了這個(gè)所謂的‘動(dòng)態(tài)孔徑’范圍，那么它們將從加速器中消失。

新型磁體

世界各地加速器設(shè)施的科學(xué)家們，正在努力產(chǎn)生更具生產(chǎn)力的粒子束，以追求支撐探索宇宙奧秘的物理學(xué)。做到這一點(diǎn)的一種方式是增加光束強(qiáng)度，但有一個(gè)問(wèn)題：隨著強(qiáng)度的增加，光束的行為方式可能會(huì)變得更加復(fù)雜，從而限制了傳統(tǒng)磁鐵對(duì)它們的限制。為了為下一代粒子物理學(xué)鋪平道路，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器科學(xué)家們正在考慮從根本上說(shuō)是一種新型的磁鐵，這種磁鐵可以處理不斷增加的束流強(qiáng)度。

這些非線性磁鐵實(shí)際上是許多多極的特殊組合，它們有可能極大地提高光束穩(wěn)定性，而不會(huì)像簡(jiǎn)單的八極磁鐵那樣讓粒子束穩(wěn)定。隨著科學(xué)家不斷推進(jìn)磁鐵技術(shù)的邊界，我們將能夠更深入地窺探亞原子世界，發(fā)現(xiàn)只存在于最極端條件下的奇異粒子，觀察中微子和μ子的衰變，最終更好地理解宇宙是如何開始的。想到不起眼的磁鐵，是我們通向宇宙一些最深層次奧秘的大門，這令人驚訝，但話又說(shuō)回來(lái)，這就是200年前發(fā)現(xiàn)的“吸引力”的力量！

博科園｜研究/來(lái)自：費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室

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