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200年前意外发现电让指南针偏转,竟是通向宇宙最深奥秘的大门!

2020-03-23  博科园

    1820年奥斯特在丹麦哥本哈根大学向一班高年级学生进行了电学实验演示:使用早期的电池原型,奥斯特想看看电流对指南针会有什么影响,因为奥斯特事先没有时间测试实验,结果对奥斯特和他的学生来说都是未知的。当奥斯特通过在电池两端接上一根电线来完成闭合电路时,产生的电流使指南针的指针与电线排成一条线,表明电和磁是同一现象的两个方面。

    在产生电流的过程中,奥斯特德创造了一种临时磁铁:电磁铁。物理学家继续为他们的实验开发电磁铁,今天,他们无处不在:在MRI扫描仪、扬声器、变压器、电动马达和粒子加速器中。当亚原子粒子束以接近光速的速度射出时,加速器磁铁会弯曲和塑造光束。物理学家们设计了各种各样的磁铁,这样就能以想要的方式使用光束,产生他们想要的物理效果。

    加速器磁铁是如何工作的?

    带电粒子(如质子和电子)的运动会产生磁场;同样,磁场也会影响带电粒子的运动,这就是奥斯特德200年前试验揭示的关系,后来科学家们开始定义:电和磁是一枚硬币的两面,这是人类利用来改变世界的一种现象,为你用来看本文的手机设备供电电网源于对磁电关系的理解,粒子物理学家已经利用电磁学来探索我们宇宙的起源。

    其方法是控制加速器中的粒子束,将它们撞击到一个目标上,并产生更多的粒子供科学家研究。通过通过线圈传递电流,加速器专家制造出一种带有北极和南极的电磁铁。这些缠绕的导线形成了加速器中使用的电磁铁极点。它们不仅可以排列成两极电磁铁,还可以排列成四极、六极甚至更多极的磁铁。但这些不像家用磁铁,加速器磁铁可以和一辆皮卡一样长甚至更长。

    同时还可以重达数吨,通常需要几个月的时间来建造每一个。不管制造加速器磁铁的材料是什么,加速器磁铁都可以根据它们的极数进行分类。大多数来自四种类型:偶极磁铁弯曲光束,四极聚焦光束,六极纠正四极的不完美聚焦,八极有助于提高存储的粒子束的稳定性。用加速器术语来说,这些是科学家们用来操纵这些发现引擎中光束的不同磁性“多极”。

    偶极子转向光束

    偶极子最常见的是由两根分开的线圈组成,它们的北极和南极面向对方,当电流流过线圈时,在两极之间的间隙中形成单向磁场。加速器科学家和工程师可以利用这个磁场将带电粒子束沿着曲线弯曲。简而言之,偶极子是把光束送到它们需要去的地方的主要方式。如果你碰巧骑在一个质子上,直奔一个指向下方的磁场,你和质子会以与磁铁磁场强度成正比的量向左移动。

    (上图所示)当带正电的粒子进入并通过偶极磁铁磁场时,它会向左偏转,偏转角度与磁铁所施加的力成正比。图片:Jerald Pinson

    磁场越强,向左拉你和质子的感觉(力)就越强,对于垂直磁场,画出的路径是水平圆弧。偶极磁铁通常用来弯曲粒子束,例如在圆形加速器中,多个偶极磁铁沿着束流路径排成一排。粒子束一个接一个地通过,每次通过都会在一个方向上被轻推,这样它就会沿着曲线移动。快速作用偶极子也可以用来将粒子束“踢”进或踢出圆形加速器的主光束。

    四极磁铁聚焦光束

    施加单向力的磁铁可以很好地使粒子束向特定方向弯曲,但它们不能保持粒子束的形状。如果把光束放在偶极子里,任由它自己摆布,它就会分崩离析。就像气体分子的集合一样,粒子束有温度,这种随机的能量会导致粒子在加速器中自然漂移。如果没有把粒子束带回一起,那么它们就会撞到它们正在循环的真空管壁上。因此,科学家们使用四极磁铁来重新聚焦这些任性的粒子,并将它们带回折叠中。

    (上图所示)四极磁体,在粒子加速器中,如果粒子偏离集中束太远,极就会将粒子推到一起。四极聚焦只在一个平面上,所以为了从两侧挤压加速器光束,这些磁铁通常是一个接一个地堆叠起来,每个磁铁都相对于前一个旋转90度。通过这种方式,束流粒子在穿过连续的磁铁时会在两个方向上被推到一起。图片:Jerald Pinson

    顾名思义,四极杆有四个交替的极,它们会产生一种特殊的磁场,可以将粒子重新聚集在一起,就像透镜可以将光线弯曲到一个点上一样。单个四极杆将一束光束聚焦在一个平面上,例如四极杆在穿过加速器时可以将光束的两侧向内挤压,但-类似于Play-Doh块在两边挤压在一起时的反应方式——光束将朝着另一个方向散焦。解决方案是将多个方向交替的四极杆串在一起,光束穿过其中一个,在水平方向上被挤压。

    然后它穿过下一个,在垂直方向上被挤压,随着每一次连续的挤压,它都会变得聚焦。净效应是一束稳定的粒子束,当它们绕着加速器旋转时,它们来回嘎嘎作响。同样,四极杆也可以使光束散焦,当粒子通过加速器时,有时光束的密实程度稍低一些会更好,从而降低粒子相互干扰的可能性。当光束通过磁场强度较弱的四极杆时,能首先在上下方向上展开,然后在左右方向上展开,以此类推,直到它们被适当地散焦。

    六极磁铁校正

    就像偶极磁铁可以使光束弯曲但不能保持聚焦一样,四极磁铁可以使粒子聚焦,但不是全部聚焦到同一位置,因为构成光束的粒子的能量略有不同。不幸的是,对于所有的光束能量,四极磁体的行为并不完全相同,与低能粒子相比,高能粒子受四极磁场的影响较小。结果是高能粒子和低能粒子沿着光束路径聚焦在不同的点上,这类似于水滴弯曲不同颜色的光以产生令人惊叹的彩虹方式。

    在四极磁体中,这种“色差”会导致粒子在加速器中来回反弹的速度不同,这一现象被加速器科学家称为色度。在许多情况下,为了看到想要的物理效果,必须校正色度,所以科学家们使用六极杆来实现这一点。当正确放置在加速器中时,这些六极磁铁会迫使较高能量的粒子重新与光束的其余部分对准。

    八极磁体提高稳定性

    我们都有过这样的时刻:当你走在走廊上时,有人转过拐角,直接走到了你的面前,你们两个人都朝一个方向移动,然后又朝另一个方向移动,然后又返回,试图避免碰撞,这种相遇似乎会持续很长时间。很难超过另一个人的原因是:相似的移动速度造成。如果一个人走得更慢,或者只是停留在原地,那么这种行为就会被抑制。如果粒子束都以相同的频率振荡,它们可以表现出类似的集体行为。

    为了稳定这种情况,可以使用称为八极的八极磁铁来混合稳定粒子的频率,科学家称由此产生的稳定为“朗道阻尼”,它为粒子束提供了对一些不稳定行为的天然免疫力。不幸的是,高阶多极磁铁增加的稳定性和增强的聚焦是有代价的:这些磁铁会产生有害的共振,降低储存粒子所允许的位置和能量的整体范围。如果粒子发现自己超出了这个所谓的'动态孔径’范围,那么它们将从加速器中消失。

    新型磁体

    世界各地加速器设施的科学家们,正在努力产生更具生产力的粒子束,以追求支撑探索宇宙奥秘的物理学。做到这一点的一种方式是增加光束强度,但有一个问题:随着强度的增加,光束的行为方式可能会变得更加复杂,从而限制了传统磁铁对它们的限制。为了为下一代粒子物理学铺平道路,费米实验室的加速器科学家们正在考虑从根本上说是一种新型的磁铁,这种磁铁可以处理不断增加的束流强度。

    这些非线性磁铁实际上是许多多极的特殊组合,它们有可能极大地提高光束稳定性,而不会像简单的八极磁铁那样让粒子束稳定。随着科学家不断推进磁铁技术的边界,我们将能够更深入地窥探亚原子世界,发现只存在于最极端条件下的奇异粒子,观察中微子和µ子的衰变,最终更好地理解宇宙是如何开始的。想到不起眼的磁铁,是我们通向宇宙一些最深层次奥秘的大门,这令人惊讶,但话又说回来,这就是200年前发现的“吸引力”的力量!

    (上图所示)四极磁铁不能将能量不同的粒子聚焦到特定点,因此科学家们使用六极磁铁来校正这种色差。图片:Jerald Pinson

    博科园|研究/来自:费米国家加速器实验室

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