1820年奧斯特在丹麥哥本哈根大學向一班高年級學生進行了電學實驗演示：使用早期的電池原型，奧斯特想看看電流對指南針會有什么影響，因為奧斯特事先沒有時間測試實驗，結果對奧斯特和他的學生來說都是未知的。當奧斯特通過在電池兩端接上一根電線來完成閉合電路時，產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象的兩個方面。

在產生電流的過程中，奧斯特德創造了一種臨時磁鐵：電磁鐵。物理學家繼續為他們的實驗開發電磁鐵，今天，他們無處不在：在MRI掃描儀、揚聲器、變壓器、電動馬達和粒子加速器中。當亞原子粒子束以接近光速的速度射出時，加速器磁鐵會彎曲和塑造光束。物理學家們設計了各種各樣的磁鐵，這樣就能以想要的方式使用光束，產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（如質子和電子）的運動會產生磁場；同樣，磁場也會影響帶電粒子的運動，這就是奧斯特德200年前試驗揭示的關系，后來科學家們開始定義：電和磁是一枚硬幣的兩面，這是人類利用來改變世界的一種現象，為你用來看本文的手機設備供電電網源于對磁電關系的理解，粒子物理學家已經利用電磁學來探索我們宇宙的起源。

其方法是控制加速器中的粒子束，將它們撞擊到一個目標上，并產生更多的粒子供科學家研究。通過通過線圈傳遞電流，加速器專家制造出一種帶有北極和南極的電磁鐵。這些纏繞的導線形成了加速器中使用的電磁鐵極點。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甚至更長。

同時還可以重達數噸，通常需要幾個月的時間來建造每一個。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它們的極數進行分類。大多數來自四種類型：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的粒子束的穩定性。用加速器術語來說，這些是科學家們用來操縱這些發現引擎中光束的不同磁性“多極”。

偶極子轉向光束

偶極子最常見的是由兩根分開的線圈組成，它們的北極和南極面向對方，當電流流過線圈時，在兩極之間的間隙中形成單向磁場。加速器科學家和工程師可以利用這個磁場將帶電粒子束沿著曲線彎曲。簡而言之，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質子上，直奔一個指向下方的磁場，你和質子會以與磁鐵磁場強度成正比的量向左移動。

（上圖所示）當帶正電的粒子進入并通過偶極磁鐵磁場時，它會向左偏轉，偏轉角度與磁鐵所施加的力成正比。圖片：Jerald Pinson

磁場越強，向左拉你和質子的感覺（力）就越強，對于垂直磁場，畫出的路徑是水平圓弧。偶極磁鐵通常用來彎曲粒子束，例如在圓形加速器中，多個偶極磁鐵沿著束流路徑排成一排。粒子束一個接一個地通過，每次通過都會在一個方向上被輕推，這樣它就會沿著曲線移動。快速作用偶極子也可以用來將粒子束“踢”進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，這種隨機的能量會導致粒子在加速器中自然漂移。如果沒有把粒子束帶回一起，那么它們就會撞到它們正在循環的真空管壁上。因此，科學家們使用四極磁鐵來重新聚焦這些任性的粒子，并將它們帶回折疊中。

（上圖所示）四極磁體，在粒子加速器中，如果粒子偏離集中束太遠，極就會將粒子推到一起。四極聚焦只在一個平面上，所以為了從兩側擠壓加速器光束，這些磁鐵通常是一個接一個地堆疊起來，每個磁鐵都相對于前一個旋轉90度。通過這種方式，束流粒子在穿過連續的磁鐵時會在兩個方向上被推到一起。圖片：Jerald Pinson

顧名思義，四極桿有四個交替的極，它們會產生一種特殊的磁場，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點上一樣。單個四極桿將一束光束聚焦在一個平面上，例如四極桿在穿過加速器時可以將光束的兩側向內擠壓，但-類似于Play-Doh塊在兩邊擠壓在一起時的反應方式——光束將朝著另一個方向散焦。解決方案是將多個方向交替的四極桿串在一起，光束穿過其中一個，在水平方向上被擠壓。

然后它穿過下一個，在垂直方向上被擠壓，隨著每一次連續的擠壓，它都會變得聚焦。凈效應是一束穩定的粒子束，當它們繞著加速器旋轉時，它們來回嘎嘎作響。同樣，四極桿也可以使光束散焦，當粒子通過加速器時，有時光束的密實程度稍低一些會更好，從而降低粒子相互干擾的可能性。當光束通過磁場強度較弱的四極桿時，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，直到它們被適當地散焦。

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，因為構成光束的粒子的能量略有不同。不幸的是，對于所有的光束能量，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的影響較小。結果是高能粒子和低能粒子沿著光束路徑聚焦在不同的點上，這類似于水滴彎曲不同顏色的光以產生令人驚嘆的彩虹方式。

在四極磁體中，這種“色差”會導致粒子在加速器中來回反彈的速度不同，這一現象被加速器科學家稱為色度。在許多情況下，為了看到想要的物理效果，必須校正色度，所以科學家們使用六極桿來實現這一點。當正確放置在加速器中時，這些六極磁鐵會迫使較高能量的粒子重新與光束的其余部分對準。

八極磁體提高穩定性

我們都有過這樣的時刻：當你走在走廊上時，有人轉過拐角，直接走到了你的面前，你們兩個人都朝一個方向移動，然后又朝另一個方向移動，然后又返回，試圖避免碰撞，這種相遇似乎會持續很長時間。很難超過另一個人的原因是：相似的移動速度造成。如果一個人走得更慢，或者只是停留在原地，那么這種行為就會被抑制。如果粒子束都以相同的頻率振蕩，它們可以表現出類似的集體行為。

為了穩定這種情況，可以使用稱為八極的八極磁鐵來混合穩定粒子的頻率，科學家稱由此產生的穩定為“朗道阻尼”，它為粒子束提供了對一些不穩定行為的天然免疫力。不幸的是，高階多極磁鐵增加的穩定性和增強的聚焦是有代價的：這些磁鐵會產生有害的共振，降低儲存粒子所允許的位置和能量的整體范圍。如果粒子發現自己超出了這個所謂的'動態孔徑’范圍，那么它們將從加速器中消失。

新型磁體

世界各地加速器設施的科學家們，正在努力產生更具生產力的粒子束，以追求支撐探索宇宙奧秘的物理學。做到這一點的一種方式是增加光束強度，但有一個問題：隨著強度的增加，光束的行為方式可能會變得更加復雜，從而限制了傳統磁鐵對它們的限制。為了為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從根本上說是一種新型的磁鐵，這種磁鐵可以處理不斷增加的束流強度。

這些非線性磁鐵實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定性，而不會像簡單的八極磁鐵那樣讓粒子束穩定。隨著科學家不斷推進磁鐵技術的邊界，我們將能夠更深入地窺探亞原子世界，發現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，但話又說回來，這就是200年前發現的“吸引力”的力量！

（上圖所示）四極磁鐵不能將能量不同的粒子聚焦到特定點，因此科學家們使用六極磁鐵來校正這種色差。圖片：Jerald Pinson

博科園｜研究/來自：費米國家加速器實驗室