1820年，漢斯·克里斯蒂安·奧斯特（Hans Christian Oersted）在丹麥哥本哈根大學給一班高級學生演示了電力。他用一個早期的電池原型，觀察電流對指南針的影響，由于他事先沒有時間測試他的實驗，結果對他和他的學生一樣未知。當他通過在電池兩端連接一根電線完成電路時，產生的電流使指南針與電線對齊，顯示出電和磁是同一現象的兩個方面。

在產生電流的過程中，奧斯特創造了一個臨時磁鐵——電磁鐵。物理學家繼續為他們的實驗開發電磁鐵，今天，它們無處不在：在核磁共振掃描儀、揚聲器、變壓器、電動機和粒子加速器中。

加速器磁鐵在亞原子粒子以接近光速的速度射出時彎曲并形成粒子束。專家們設計磁鐵，這樣他們就可以用正確的方式操縱粒子束，產生他們所追求的物理效果。

加速器磁鐵-它們是如何工作的？

帶電粒子（如質子和電子）的運動產生磁場。同樣，磁場也會影響帶電粒子的運動。這正是奧斯特在200年前幫助揭示的關系，后來科學家們會得出這樣的定義：電和磁是同一枚硬幣的兩面。

這是人類利用世界變化效應的一種現象。你用來閱讀這篇文章的設備所使用的電網是從對磁電關系的理解中產生的。

粒子物理學家利用電磁學，通過控制加速器中的粒子束，將它們撞向目標，產生更多的粒子供科學家研究，來探索我們宇宙的起源。

加速器專家將電流通過盤繞的電線，產生一個南北極的臨時磁鐵。這些盤繞的電線形成了加速器用電磁鐵的磁極。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。

別搞錯了：這些不像你家的磁鐵。加速器磁鐵可以和皮卡一樣長——有時更長——可以重達數噸。通常建造每一個都需要幾個月的時間。

無論用什么材料來制造加速器磁鐵，加速器磁鐵都可以根據磁極數來分類。其中大多數是四種類型中的一種:偶極磁鐵使粒子束彎曲，四極磁鐵使粒子束聚焦，六極磁鐵糾正四極磁鐵的不完美聚焦，八極磁鐵有助于增加存儲粒子束的穩定性。在加速器術語中，這些是不同的磁性“多極體”，科學家們用它們來操縱這些發現引擎中的粒子束。

偶極子-這不是很容易控制粒子束

偶極子通常由兩根獨立的盤繞導線構成，它們的南北極相對。當電流通過線圈時，在兩極之間的間隙形成一個單向磁場。

“加速器的科學家和工程師可以利用這個電場使帶電粒子束沿曲線彎曲，”費米實驗室的副科學家喬納森·賈維斯（JonathanJarvis）說。“簡而言之，偶極子是我們獲得粒子束的主要途徑。”

如果你碰巧騎在一個質子上，它正朝著一個指向下方的磁場前進，你和你的質子就會以與磁場強度成比例的速度向左移動。磁場越強，你和你的質子感受到的向左的拉力就越大。對于垂直磁場，你可以追蹤到的路徑是一個水平的圓弧。

偶極磁鐵通常用來彎曲粒子束。例如，在圓形加速器中，多個偶極磁鐵沿束流路徑排列。粒子束一個接一個地穿過，每通過一次，粒子束就向一個方向移動，從而沿著曲線運動。

快速作用的偶極子也可以用來將粒子束“踢”進或踢出環形加速器的主束。

當一個帶正電荷的粒子通過偶極磁鐵進入紙面時，它會向左偏轉，偏轉的角度與磁鐵所施加的力成正比。圖片:Jerald mike vanderboegh

四極-保持專注

施加單向力的磁鐵可以很好地將粒子束彎曲到特定的方向，但它們不能保持粒子束的形狀。

賈維斯說:“如果我們把粒子束放在偶極子中，它就會分裂。”“就像氣體分子的集合一樣，粒子束也有溫度，這種隨機的能量會導致粒子在加速器中自然地漂移開來。”如果粒子束不能重新聚集在一起，它們就會撞到真空管道的內壁上，在那里它們會循環。”

因此，科學家們使用四極磁鐵來重新聚焦這些任性的粒子，并把它們帶回到粒子束流中。

顧名思義，四極有四個交變極。它們產生一種特殊的磁場，可以把粒子重新聚集在一起，就像透鏡可以把光線聚集到一個點上一樣。

一個單四極使束流聚焦在一個平面上。例如，一個四極體可以在通過加速器時向內擠壓束流的側面，但是——就像一塊培樂多(Play-Doh)當你擠壓它的側面時的反應一樣——粒子束會向另一個方向散焦。

解決的辦法是用交替的方向把多個四極串在一起。粒子束通過其中一個，在水平方向被壓縮。然后它穿過下一個，在垂直方向被壓縮。隨著每一個連續的按壓，使粒子束變得集中。

最終效果是粒子束在加速器上來回運動形成一束穩定的粒子束，同樣，四極也可以使粒子束散焦。當粒子通過加速器時，有時粒子束的密度較低會更好，從而降低粒子相互干擾的可能性。當粒子束通過磁強度較弱的四極時，允許它們首先向上下方向擴散，然后向左右方向擴散，以此類推，直到適當地散焦為止。

六色校正

就像偶極磁鐵可以彎曲粒子束但無法使其聚焦一樣，四極磁鐵也可以聚焦粒子，但不是所有粒子都聚焦在同一位置。

構成粒子束的粒子能量略有不同。

賈維斯說:“不幸的是，對于所有的粒子束能量來說，四極的表現并不完全相同。”“高能量粒子受四極磁場的影響比低能量粒子要小。”

結果是高能粒子和低能粒子在束流路徑的不同點上聚集。這與水滴彎曲不同顏色的光形成令人驚嘆的彩虹一樣。

在四極磁鐵中，這種“色差”在粒子在加速器中來回彈回的速度上產生差異，這種現象被加速器科學家稱為色度學。

“在很多情況下，為了看到我們想要的物理，我們必須修正色度，我們使用六極來做這個，”賈維斯說。

當正確地放置在加速器中時，這些六極磁鐵會迫使高能量粒子重新與粒子束的其余部分對齊。

八極-混合

我們都有過這樣的經歷:當你走在走廊上時，有人繞過一個角落，正好擋住了你的去路。你倆都朝一個方向移動，然后又朝另一個方向移動，然后再回來，試圖避免碰撞，這種碰撞似乎會持續很長時間。你很難超越對方的原因是你與他的移動速度相似。如果一個人移動得更慢，或者只是停留在路線上，那么這種行為就會被抑制。

如果粒子束以相同的頻率振蕩，它們可以表現出類似的集體行為。

為了穩定這種情況，可以使用稱為八極磁鐵來混合粒子的頻率。科學家們把這種穩定稱為“蘭道（Landau）阻尼”，它為粒子束提供了對一些不穩定行為的自然抵抗力。

不幸的是，更高階的多極磁鐵所增加的穩定性和增強的聚焦是有代價的。

賈維斯說:“這些磁鐵會產生有害的共振，降低存儲粒子的位置和能量范圍。”“如果粒子發現自己在這個所謂的‘動態孔徑’范圍之外，它們就會從加速器中消失。”

集成光學及其他

在世界各地的加速器裝置工作的科學家們正在努力產生更多產的粒子束，以追求支撐宇宙的物理學。

其中一種方法是增加粒子束的強度，即增加束中粒子的數量。但有一個問題:隨著強度的增加，粒子束的運動方式可能會變得復雜得多，從而超出了傳統磁鐵的限制。

為了給下一代粒子物理學鋪平道路，費米實驗室的加速器科學家們正在考慮一種全新類型的磁鐵，這種磁鐵可以處理日益增強的粒子束強度。

賈維斯說:“這些非線性磁鐵實際上是許多多極的特殊組合，它們有潛力顯著提高束流的穩定性，而又不會在簡單的八極子中進行取舍。”

隨著科學家繼續推動磁鐵技術的發展，我們將能夠更深入地觀察亞原子世界——發現僅在最極端條件下存在的奇異粒子，觀察中微子的神秘轉變和μ子的衰變，并最終出現以便更好地了解宇宙是如何開始的。

令人驚訝的是，這個不起眼的磁鐵是我們通往某些宇宙最深奧秘的門戶，但這又是吸引的力量。

這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。

費米實驗室是由美國能源部科學辦公室資助的?？茖W辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，它正在努力解決我們這個時代一些最緊迫的挑戰。