Nel 1820, Hans Christian Oersted ha tenuto una dimostrazione sull'elettricità a una classe di studenti avanzati presso l'Università di Copenhagen in Danimarca. Utilizzando un primo prototipo di batteria, guardò per vedere che effetto avrebbe avuto una corrente elettrica su una bussola, e poiché non aveva avuto il tempo di testare il suo esperimento in anticipo, il risultato era sconosciuto tanto a lui quanto ai suoi studenti. Quando ha completato il circuito collegando un singolo filo a entrambe le estremità della batteria, la corrente risultante ha fatto sì che l'ago della bussola si allineasse con il filo, mostrando che elettricità e magnetismo erano due facce dello stesso fenomeno.

Nel generare una corrente elettrica, Oersted aveva creato un magnete temporaneo, un elettromagnete. I fisici hanno continuato a sviluppare elettromagneti per i loro esperimenti, e oggi, sono ovunque:negli scanner MRI, Altoparlanti, trasformatori, motori elettrici e acceleratori di particelle.

I magneti dell'acceleratore piegano e modellano i fasci di particelle subatomiche mentre sparano a velocità vicine a quella della luce. Gli esperti progettano magneti in modo che possano brandire il raggio nel modo giusto per ottenere la fisica che cercano.

Magneti acceleratori:come funzionano?

Il movimento di particelle cariche, come protoni ed elettroni, crea un campo magnetico. Per lo stesso motivo, i campi magnetici influenzano il movimento delle particelle cariche. Questa è la relazione che Oersted ha aiutato a scoprire 200 anni fa e che in seguito gli scienziati avrebbero definito:elettricità e magnetismo sono due facce della stessa medaglia.

È un fenomeno che l'umanità ha sfruttato per cambiare il mondo. La griglia elettrica che alimenta il dispositivo che stai usando per leggere questo è nata dalla comprensione della relazione magnetismo-elettricità.

I fisici delle particelle hanno sfruttato l'elettromagnetismo per esplorare le origini del nostro universo controllando i fasci di particelle negli acceleratori, rompendoli in un bersaglio e producendo ancora più particelle che gli scienziati possono studiare.

Facendo passare una corrente elettrica attraverso un filo avvolto, esperti di acceleratori producono un magnete temporaneo con un polo nord e un polo sud. Questi fili arrotolati formano i poli degli elettromagneti utilizzati negli acceleratori. Possono essere disposti non solo in elettromagneti bipolari, ma magneti con quattro, sei o anche più poli.

Non commettere errori:questi non sono come i tuoi magneti domestici. I magneti dell'acceleratore possono essere lunghi quanto un camioncino, a volte più lunghi, e possono pesare tonnellate. Di solito ci vogliono mesi per costruirne uno.

Indipendentemente dai materiali utilizzati per realizzarli, i magneti acceleratori possono essere classificati in base al loro numero di poli. La maggior parte è disponibile in quattro tipi:i magneti a dipolo piegano il raggio, i quadrupoli focalizzano il raggio, i sestupoli correggono la messa a fuoco imperfetta dei quadrupoli, e gli ottupoli possono aiutare ad aumentare la stabilità dei fasci di particelle immagazzinati. Nel gergo dell'acceleratore, questi sono i diversi "multipoli" magnetici che gli scienziati usano per manipolare i raggi in questi motori di scoperta.

Dipoli—non è facile sterzare le travi

I dipoli sono più spesso costituiti da due fili arrotolati separati con i loro poli nord e sud uno di fronte all'altro. Quando la corrente scorre attraverso le bobine, nello spazio tra i poli si forma un campo magnetico unidirezionale.

"Gli scienziati e gli ingegneri degli acceleratori possono usare quel campo per piegare i fasci di particelle cariche lungo una curva, " ha detto Jonathan Jarvis, uno scienziato associato al Fermilab. "In poche parole, i dipoli sono il nostro modo principale per portare le travi dove devono andare."

Se ti è capitato di cavalcare un protone diretto verso un campo magnetico rivolto verso il basso, tu e il tuo protone vi muovereste a sinistra di una quantità proporzionale all'intensità del campo del magnete. Più forte è il campo magnetico, più forte è la spinta verso sinistra che sentiresti tu e il tuo protone. Per i campi magnetici verticali, il percorso che tracceresti è un arco circolare orizzontale.

I magneti a dipolo vengono solitamente utilizzati per piegare i fasci di particelle. In un acceleratore circolare, Per esempio, più magneti a dipolo sono allineati lungo il percorso del raggio. Il raggio di particelle si muove uno dopo l'altro, essere spinto in una direzione ad ogni passaggio in modo che segua la curva.

I dipoli ad azione rapida possono anche essere usati per "calciare" fasci di particelle dentro o fuori dal fascio principale di un acceleratore circolare.

Quadrupoli—rimanere concentrati

I magneti che applicano una forza unidirezionale funzionano bene per piegare i fasci di particelle in una particolare direzione, ma non sono in grado di mantenere la forma di una trave.

"Se lasciamo il raggio a se stesso nei dipoli, verrà a pezzi, " disse Jarvis. "Proprio come un insieme di molecole di gas, un fascio di particelle ha una temperatura, e quell'energia casuale farà allontanare naturalmente le particelle in un acceleratore. Se le particelle del raggio non vengono riportate insieme, poi andranno a sbattere contro le pareti dei tubi del vuoto dove stanno circolando."

Quindi gli scienziati usano magneti a quadrupolo per rifocalizzare le particelle ribelli e riportarle nell'ovile.

Come il nome suggerisce, i quadrupoli hanno quattro poli alternati. Producono uno speciale campo magnetico in grado di riportare insieme le particelle, simile a come le lenti possono piegare i raggi di luce in un punto.

Un singolo quadrupolo focalizza un raggio in un piano. Per esempio, un quadrupolo può spremere i lati del raggio verso l'interno mentre corre attraverso un acceleratore, ma, in modo simile al modo in cui un pezzo di Play-Doh risponde quando schiacciate i suoi lati insieme, il raggio si sfoca nell'altra direzione.

La soluzione è mettere insieme più quadrupoli con orientamenti alternati. Il raggio passa attraverso uno e viene schiacciato nella direzione orizzontale. Quindi passa attraverso il successivo e viene schiacciato nella direzione verticale. Ad ogni pizzico successivo, diventa focalizzato.

L'effetto netto è un fascio stabile di particelle che sferragliano avanti e indietro mentre girano intorno all'acceleratore.

Per lo stesso motivo, i quadrupoli possono anche sfocare i raggi. Quando le particelle viaggiano attraverso un acceleratore, ci sono momenti in cui è meglio che la trave sia un po' meno compatta, diminuendo la probabilità che le particelle interferiscano tra loro. Quando i raggi passano attraverso quadrupoli di forza magnetica più debole, sono autorizzati a diffondersi prima nella direzione su-giù, poi nella direzione sinistra-destra e così via finché non sono adeguatamente sfocati.

Sestupoli—correzione del colore

Proprio come i magneti a dipolo possono piegare un raggio ma non sono in grado di mantenerlo concentrato, i quadrupoli possono focalizzare le particelle, ma non tutti nella stessa posizione.

Le particelle che compongono un raggio hanno energie leggermente diverse.

"Sfortunatamente, i quadrupoli non si comportano esattamente allo stesso modo per tutte le energie del raggio, " ha detto Jarvis. "Una particella a energia più alta è meno influenzata dal campo magnetico di un quadrupolo rispetto a una particella a energia inferiore".

Il risultato è che le particelle ad alta e bassa energia sono focalizzate in punti diversi lungo il percorso del raggio. Questo è simile al modo in cui le gocce d'acqua piegano diversi colori di luce per produrre uno straordinario arcobaleno.

Nei quadrupoli, questa "aberrazione cromatica" produce differenze nella velocità con cui le particelle rimbalzano avanti e indietro nell'acceleratore, un fenomeno noto agli scienziati degli acceleratori come cromaticità.

"In molti casi, per vedere la fisica che vogliamo, dobbiamo correggere la cromaticità, e lo facciamo usando i sestupoli, " disse Jarvis.

Quando posizionato correttamente nell'acceleratore, questi magneti a sei poli forzano le particelle di energia più elevata ad allinearsi con il resto del raggio.

Octupoles—mischiando il tutto

Abbiamo avuto tutti quel momento:stai camminando lungo un corridoio quando qualcuno gira l'angolo e finisce direttamente sulla tua strada. Entrambi manovrate in una direzione, poi un altro, poi di nuovo nel tentativo di evitare la collisione, un incontro che può sembrare durare per secoli. Il motivo per cui è così difficile superare l'altra persona è il risultato della tua stessa velocità di movimento. Se una persona si muoveva più lentamente, o semplicemente rimasto il corso, allora questo comportamento verrebbe soppresso.

I fasci di particelle possono esibire tipi simili di comportamento collettivo se oscillano tutti alla stessa frequenza.

Per stabilizzare la situazione, magneti a otto poli, chiamati ottupoli, può essere usato per mescolare le frequenze delle particelle. Gli scienziati chiamano la stabilizzazione risultante "smorzamento di Landau, ' e fornisce un fascio di particelle con un po' di immunità naturale contro alcuni comportamenti instabili.

Sfortunatamente, la maggiore stabilità e la maggiore messa a fuoco impartite da magneti multipolari di ordine superiore hanno un costo.

"Questi magneti possono produrre risonanze dannose e ridurre la gamma complessiva di posizioni ed energie che le particelle immagazzinate possono avere, " ha detto Jarvis. "Se le particelle si trovano al di fuori di questo intervallo della cosiddetta 'apertura dinamica', poi saranno persi dall'acceleratore."

Ottiche integrabili e non solo

Gli scienziati delle strutture di accelerazione di tutto il mondo stanno lavorando per generare fasci di particelle più produttivi nella loro ricerca della fisica che sta alla base dell'universo.

Un modo per farlo è aumentare l'intensità del raggio, il numero di particelle che impacchettano in un raggio. Ma c'è un problema:con l'aumentare dell'intensità, il comportamento delle travi può diventare molto più complesso, mettendo a dura prova i limiti di quanto bene i magneti tradizionali possono confinarli.

Per aprire la strada alla prossima generazione di fisica delle particelle, gli scienziati degli acceleratori del Fermilab stanno prendendo in considerazione fondamentalmente nuovi tipi di magneti, quelli in grado di gestire intensità di raggio sempre crescenti.

"Questi magneti non lineari sono effettivamente combinazioni speciali di molti multipoli, e hanno il potenziale per migliorare notevolmente la stabilità del fascio senza fare i compromessi inerenti ai semplici ottupoli, " disse Jarvis.

Mentre gli scienziati continuano a spingere i confini della tecnologia dei magneti, saremo in grado di scrutare più a fondo nel mondo subatomico, scoprendo particelle esotiche che esistono solo nelle condizioni più estreme, osservando la misteriosa trasformazione dei neutrini e il decadimento dei muoni, e alla fine arrivare a una migliore comprensione di come è iniziato l'universo.

È sorprendente pensare che l'umile calamita sia la nostra porta d'accesso ad alcuni dei misteri più profondi dell'universo, ma poi di nuovo, questo è il potere di attrazione.