Em 1820, Hans Christian Oersted fez uma demonstração sobre eletricidade para uma classe de alunos avançados da Universidade de Copenhagen, na Dinamarca. Usando um protótipo de bateria inicial, ele olhou para ver que efeito uma corrente elétrica teria em uma bússola, e uma vez que ele não teve tempo de testar seu experimento de antemão, o resultado era tão desconhecido para ele quanto para seus alunos. Quando ele completou o circuito conectando um único fio a ambas as extremidades da bateria, a corrente resultante fez com que a agulha da bússola se alinhasse com o fio, mostrando que eletricidade e magnetismo eram duas facetas do mesmo fenômeno.

Ao gerar uma corrente elétrica, Oersted havia criado um ímã temporário - um eletroímã. Os físicos continuaram a desenvolver eletroímãs para seus experimentos, e hoje, eles estão em toda parte:em scanners de ressonância magnética, alto-falantes, transformadores, motores elétricos - e aceleradores de partículas.

Os ímãs do acelerador dobram e moldam feixes de partículas subatômicas à medida que disparam em velocidades próximas à da luz. Os especialistas projetam ímãs para que possam manejar o feixe da maneira certa para obter a física que procuram.

Ímãs aceleradores - como eles funcionam?

O movimento de partículas carregadas - como prótons e elétrons - cria um campo magnético. Pela mesma razão, os campos magnéticos influenciam o movimento das partículas carregadas. Essa é a relação que Oersted ajudou a descobrir há 200 anos e mais tarde os cientistas viriam a definir:eletricidade e magnetismo são as duas faces da mesma moeda.

É um fenômeno que a humanidade explorou para mudar o mundo. A grade elétrica que alimenta o dispositivo que você está usando para ler isso surgiu de uma compreensão da relação magnetismo-eletricidade.

Os físicos de partículas aproveitaram o eletromagnetismo para explorar as origens do nosso universo, controlando feixes de partículas em aceleradores, esmagando-os em um alvo e produzindo ainda mais partículas para os cientistas estudarem.

Ao passar uma corrente elétrica por um fio enrolado, especialistas em aceleradores produzem um ímã temporário com pólos norte e sul. Esses fios enrolados formam os pólos dos eletroímãs usados ​​nos aceleradores. Eles podem ser dispostos não apenas em eletroímãs de dois pólos, mas ímãs com quatro, seis ou até mais pólos.

Não se engane:eles não são como os seus ímãs domésticos. Os ímãs do acelerador podem ser tão longos quanto uma caminhonete - às vezes mais - e podem pesar toneladas. Geralmente leva meses para construir cada um.

Independentemente dos materiais usados ​​para fazê-los, ímãs aceleradores podem ser classificados de acordo com seu número de pólos. A maioria vem em um dos quatro tipos:ímãs dipolo dobram o feixe, quadrupolos focalizam o feixe, sextupolos corrigem a focalização imperfeita dos quadrupolos, e octupolos podem ajudar a aumentar a estabilidade dos feixes de partículas armazenadas. No jargão do acelerador, essas são as diferentes "multipolares" magnéticas que os cientistas usam para manipular os feixes desses motores de descoberta.

Dipolos - não são vigas de direção fácil

Os dipolos são geralmente feitos de dois fios enrolados separados, com seus pólos norte e sul voltados um para o outro. Quando a corrente flui pelas bobinas, um campo magnético unidirecional se forma na lacuna entre os pólos.

"Cientistas e engenheiros do acelerador podem usar esse campo para dobrar feixes de partículas carregadas ao longo de uma curva, "disse Jonathan Jarvis, um cientista associado do Fermilab. "Simplificando, os dipolos são a nossa principal forma de levar os feixes para onde precisam ir. "

Se por acaso você estivesse viajando em um próton indo direto para um campo magnético apontando para baixo, você e seu próton se moveriam para a esquerda em uma quantidade proporcional à intensidade do campo do ímã. Quanto mais forte for o campo magnético, mais forte será a atração para a esquerda que você e seu próton sentirão. Para campos magnéticos verticais, o caminho que você traçaria é um arco circular horizontal.

Os imãs dipolo são normalmente usados ​​para dobrar feixes de partículas. Em um acelerador circular, por exemplo, vários ímãs dipolares estão alinhados ao longo do caminho do feixe. O feixe de partículas se move um após o outro, sendo empurrado em uma direção a cada passagem para que siga a curva.

Os dipolos de ação rápida também podem ser usados ​​para "chutar" feixes de partículas para dentro ou para fora do feixe principal de um acelerador circular.

Quadrupoles - mantendo o foco

Os ímãs que aplicam uma força unidirecional funcionam bem para dobrar feixes de partículas em uma direção específica, mas eles não são capazes de manter a forma de um feixe.

"Se deixarmos o feixe por conta própria em dipolos, vai se desfazer, "Jarvis disse." Assim como uma coleção de moléculas de gás, um feixe de partículas tem uma temperatura, e essa energia aleatória fará com que as partículas se separem naturalmente em um acelerador. Se as partículas do feixe não forem reunidas, então eles irão bater nas paredes dos tubos de vácuo onde estão circulando. "

Assim, os cientistas usam ímãs quadrupolo para refocar as partículas rebeldes e trazê-las de volta à dobra.

Como o nome implica, os quadrupolos têm quatro pólos alternados. Eles produzem um campo magnético especial que pode reunir as partículas, semelhante a como as lentes podem desviar os raios de luz até um ponto.

Um único quadrupolo focaliza um feixe em um plano. Por exemplo, um quadrupolo pode comprimir os lados do feixe para dentro enquanto ele passa por um acelerador, mas - semelhante à forma como um pedaço de Play-Doh responde quando você aperta seus lados juntos - o feixe irá desfocar na outra direção.

A solução é amarrar vários quadrupolos com orientações alternadas. O feixe passa por um e é comprimido na direção horizontal. Em seguida, ele passa pelo próximo e é comprimido na direção vertical. A cada beliscada sucessiva, torna-se focado.

O efeito líquido é um feixe estável de partículas balançando para frente e para trás enquanto giram em torno do acelerador.

Pela mesma razão, os quadrupolos também podem desfocar os feixes. Conforme as partículas viajam através de um acelerador, há momentos em que é melhor que o feixe seja um pouco menos compactado, diminuindo a probabilidade de que as partículas interfiram umas com as outras. À medida que os feixes passam através de quadrupolos de força magnética mais fraca, eles podem se espalhar primeiro na direção de cima para baixo, depois, na direção esquerda-direita e assim por diante, até que estejam devidamente desfocados.

Sextupoles - correção de cor

Assim como os ímãs dipolares podem dobrar um feixe, mas não são capazes de mantê-lo focado, quadrupolos podem focalizar partículas, mas nem todos no mesmo local.

As partículas que formam um feixe têm energias ligeiramente diferentes.

"Infelizmente, quadrupolos não se comportam exatamente da mesma forma para todas as energias do feixe, "Jarvis disse." Uma partícula de alta energia é menos afetada pelo campo magnético de um quadrupolo do que uma partícula de baixa energia. "

O resultado é que as partículas de alta e baixa energia são focalizadas em pontos diferentes ao longo do caminho do feixe. Isso é semelhante à maneira como as gotas de água dobram diferentes cores de luz para produzir um arco-íris impressionante.

Nos quadrupolos, esta 'aberração cromática' produz diferenças na rapidez com que as partículas estão saltando para frente e para trás no acelerador, um fenômeno conhecido pelos cientistas aceleradores como cromaticidade.

"Em muitos casos, para ver a física que queremos, temos que corrigir a cromaticidade, e fazemos isso usando sextupolos, "Jarvis disse.

Quando colocado corretamente no acelerador, esses ímãs de seis pólos forçam as partículas de alta energia de volta ao alinhamento com o resto do feixe.

Octupoles - misturando tudo

Todos nós já tivemos aquele momento:você está andando por um corredor quando alguém dobra uma esquina e acaba diretamente no seu caminho. Vocês dois manobram para um lado, então outro, em seguida, de volta em uma tentativa de evitar a colisão, um encontro que pode parecer durar séculos. A razão pela qual é tão difícil passar pela outra pessoa é o resultado de suas taxas de movimento semelhantes. Se uma pessoa se movia mais devagar, ou simplesmente manteve o curso, então, esse comportamento seria suprimido.

Feixes de partículas podem exibir tipos semelhantes de comportamento coletivo se todos oscilarem na mesma frequência.

Para estabilizar a situação, ímãs de oito pólos, chamados octupoles, pode ser usado para misturar as frequências das partículas. Os cientistas chamam a estabilização resultante de 'amortecimento de Landau, 'e fornece um feixe de partículas com um pouco de imunidade natural contra alguns comportamentos instáveis.

Infelizmente, a estabilidade aumentada e o foco aprimorado conferidos por ímãs multipolares de ordem superior têm um custo.

"Esses ímãs podem produzir ressonâncias prejudiciais e reduzir a gama geral de posições e energias que as partículas armazenadas podem ter, "Disse Jarvis." Se as partículas se encontrarem fora desta faixa da chamada 'abertura dinâmica', então eles serão perdidos no acelerador. "

Ótica integrável e além

Cientistas em instalações de aceleradores em todo o mundo estão trabalhando para gerar feixes de partículas mais produtivos em sua busca pela física que sustenta o universo.

Uma maneira de fazer isso é aumentando a intensidade do feixe - o número de partículas que compactam em um feixe. Mas há um problema:à medida que a intensidade aumenta, a forma como os feixes se comportam pode se tornar muito mais complexa, forçando os limites de quão bem os ímãs tradicionais podem confiná-los.

Para preparar o caminho para a próxima geração da física de partículas, cientistas aceleradores do Fermilab estão considerando fundamentalmente novos tipos de ímãs, aqueles que podem lidar com intensidades de feixe cada vez maiores.

"Esses ímãs não lineares são combinações efetivamente especiais de muitas polipolas, e eles têm o potencial de melhorar drasticamente a estabilidade do feixe sem fazer as compensações inerentes aos octupolos simples, "disse Jarvis.

À medida que os cientistas continuam a expandir os limites da tecnologia magnética, seremos capazes de perscrutar mais profundamente o mundo subatômico - descobrindo partículas exóticas que existem apenas nas condições mais extremas, observando a misteriosa transformação dos neutrinos e a decadência dos múons, e, finalmente, chegar a uma melhor compreensão de como o universo começou.

É surpreendente pensar que o humilde ímã é a nossa porta de entrada para alguns dos mistérios mais profundos do universo, mas, novamente, esse é o poder de atração.