费米国家加速器实验室杰尔德·平森 加速器磁铁可以和皮卡车一样长——有时更长——重达数吨
建造每一个通常需要几个月的时间
它们弯曲和聚焦粒子束，纠正不完美的聚焦，甚至增加束的稳定性
信用:赖达·哈恩，费米实验室 1820年，汉斯·克里斯钦·奥斯特在丹麦哥本哈根大学给一个高级班的学生演示了电学
他使用早期的电池原型，观察电流对指南针的影响，由于他没有时间事先测试他的实验，结果对他和他的学生来说都是未知的
当他通过在电池两端连接一根电线来完成电路时，产生的电流使指南针的指针与电线对齐，表明电和磁是同一现象的两个方面
在产生电流的过程中，奥斯特创造了一个临时磁铁——电磁铁
物理学家继续为他们的实验开发电磁体，今天，它们无处不在:核磁共振扫描仪、扬声器、变压器、电动机和粒子加速器
当亚原子粒子以接近光速的速度射出时，加速器磁铁会弯曲并形成亚原子粒子束
专家们设计磁铁，这样他们就能以正确的方式运用光束，产生他们想要的物理效果
加速器磁铁——它们是如何工作的？ 带电粒子(如质子和电子)的运动会产生磁场
同理，磁场会影响带电粒子的运动
这就是奥斯特在200年前帮助揭示的关系，后来科学家开始定义:电和磁是同一枚硬币的两面
这是一种被人类利用来改变世界的现象
为你用来阅读这篇文章的设备提供能量的电网是基于对磁电关系的理解
粒子物理学家利用电磁学来探索我们宇宙的起源，方法是控制加速器中的粒子束，将它们粉碎成目标，并产生更多的粒子供科学家研究
通过让电流通过盘绕的电线，加速器专家制造了一个具有北极和南极的临时磁铁
这些线圈构成了加速器中电磁铁的磁极
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
别搞错了:这些不像你家的磁铁
加速器磁铁可以和皮卡车一样长——有时更长——重达数吨
建造每一个通常需要几个月的时间
无论使用何种材料制造，加速器磁铁都可以根据磁极数进行分类
大多数粒子束有四种类型:偶极磁体弯曲粒子束，四极聚焦粒子束，六极校正四极的不完美聚焦，八极有助于增加存储粒子束的稳定性
用加速器术语来说，这些是不同的磁性“多极”，科学家用它们来操纵这些发现引擎中的光束
偶极子——操纵波束并不容易 偶极子通常由两根独立的线圈组成，它们的北极和南极相互面对
当电流流过线圈时，磁极之间的间隙会形成单向磁场
当带正电的粒子进入页面并穿过偶极磁体时，它会以与磁体施加的力成比例的角度向左偏转
信用:杰尔德·平森 费米实验室的助理科学家乔纳森·贾维斯说:“加速器科学家和工程师可以利用这个场来弯曲带电粒子束。”
“简而言之，偶极子是我们在需要的地方获得波束的主要方式
" 如果你碰巧正骑在一个质子上，直向指向下方的磁场，你和你的质子会向左移动，移动量与磁铁的磁场强度成正比
磁场越强，向左拉动你和你的质子的感觉就越强
对于垂直磁场，你要追踪的路径是水平圆弧
偶极磁体通常用于弯曲粒子束
例如，在圆形加速器中，多个偶极磁体沿着束路径排列
粒子束一个接一个地穿过，每次通过时都被推向一个方向，使其沿着曲线运动
快速作用的偶极子也可以用来将粒子束“踢”进或踢出圆形加速器的主束
四极——保持专注 施加单向力的磁铁可以很好地将粒子束弯曲到特定的方向，但是它们不能保持粒子束的形状
贾维斯说:“如果我们把光束留在偶极子中，它就会分裂。”
“就像气体分子的集合一样，一束粒子有一个温度，这种随机能量会导致粒子在加速器中自然漂移
如果粒子束没有重新聚集在一起，那么它们将会撞击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，并把它们带回到褶皱中
顾名思义，四极有四个交替的极点
它们产生一种特殊的磁场，可以将粒子聚集在一起，就像透镜可以将光线弯曲成一个点一样
单个四极杆将光束聚焦在一个平面上
例如，四极杆可以在穿过加速器时向内挤压光束的侧面，但是——类似于当你把它的侧面挤压在一起时一团“玩多”的反应——光束会在另一个方向散焦
解决方法是将多个四极以交替的方向串在一起
光束穿过其中一个，并在水平方向受到挤压
然后它穿过下一个，在垂直方向被挤压
随着每一次连续的挤压，它变得集中
最终效果是一束稳定的粒子束在加速器周围来回晃动
同样，四极也可以散焦光束
当粒子穿过加速器时，有时粒子束最好不要太密集，这样会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时，它们首先被允许沿上下方向扩散，然后沿左右方向扩散，直到适当散焦
四极有四个磁极
在粒子加速器中，如果粒子偏离中心光束太远，磁极会将粒子推到一起
四极只聚焦在一个平面上，所以为了从两侧挤压加速器束，这些磁体通常一个接一个地堆叠，每个磁体相对于前一个旋转90度
这样，当粒子束穿过连续的磁铁时，它们在两个方向上被推到一起
信用:杰尔德·平森 六色-颜色校正 就像偶极磁体可以弯曲光束但不能保持聚焦一样，四极磁体可以聚焦粒子，但不能都聚焦到同一个位置
组成光束的粒子具有稍微不同的能量
贾维斯说:“不幸的是，四极粒子的行为并不完全相同。”
“高能粒子比低能粒子受四极磁场的影响小
" 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惊人的彩虹
在四极粒子中，这种“色差”导致粒子在加速器中来回跳动的速度不同，这种现象被加速器科学家称为色度
贾维斯说:“在许多情况下，为了看到我们想要的物理现象，我们必须校正色度，并且我们使用六倍镜来做这件事。”
当正确放置在加速器中时，这些六极磁铁迫使高能粒子回到与束的其余部分对齐
八极子——混合在一起 我们都有过这样的时刻:当你走在走廊上时，有人绕过一个拐角，直接挡在你的路上
你们都以一种方式移动，然后是另一种方式，然后再返回，试图避免碰撞，这种相遇似乎会持续很长时间
之所以很难超越对方，是因为你们的运动速度相似
如果一个人走得更慢，或者只是坚持到底，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
为了稳定局势，八极磁铁，称为八极，可以用来混合粒子的频率
科学家称由此产生的稳定为“朗道阻尼”，它为粒子束提供了一点对一些不稳定行为的自然免疫力
四极磁铁不能将不同能量的粒子聚焦到特定的点，所以科学家使用六极磁铁来校正这种色差
信用:杰尔德·平森 不幸的是，由高阶多极磁体赋予的增加的稳定性和增强的聚焦是有代价的
贾维斯说:“这些磁铁会产生有害的共振，并降低储存的粒子被允许拥有的位置和能量的整体范围。”
“如果粒子发现自己在所谓‘动态光圈’的这个范围之外，那么它们就会从加速器中消失
" 可集成光学及其他 世界各地加速器设施的科学家正在努力产生更多的粒子束，以追求支撑宇宙的物理学
他们这样做的一个方法是增加光束的强度——他们装入光束的粒子数量
但是有一个问题:随着强度的增加，光束的行为会变得更加复杂，传统磁铁限制它们的能力会受到限制
为了给下一代粒子物理铺平道路，费米实验室的加速器科学家们正在考虑从根本上新型的磁体，这种磁体能够处理不断增加的束流强度
贾维斯说:“这些非线性磁体实际上是许多多极的特殊组合，它们有潜力显著提高束流稳定性，而不会做出简单八极固有的权衡。”
随着科学家们继续推进磁体技术的边界，我们将能够更深入地观察亚原子世界——发现仅在最极端条件下存在的外来粒子，观察中微子的神秘转变和μ子的衰变，并最终更好地理解宇宙是如何开始的
令人惊讶的是，卑微的磁铁是我们通向宇宙最深奥秘的大门，但话说回来，这就是吸引力
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