En 1820, Hans Christian Oersted dio una demostración sobre electricidad a una clase de estudiantes avanzados en la Universidad de Copenhague en Dinamarca. Usando un prototipo de batería anterior, miró para ver qué efecto tendría una corriente eléctrica en una brújula, y como no había tenido tiempo de probar su experimento de antemano, el resultado era tan desconocido para él como para sus alumnos. Cuando completó el circuito conectando un solo cable a ambos extremos de la batería, la corriente resultante hizo que la aguja de la brújula se alineara con el cable, mostrando que la electricidad y el magnetismo eran dos facetas del mismo fenómeno.

Al generar una corriente eléctrica, Oersted había creado un imán temporal:un electroimán. Los físicos continuaron desarrollando electroimanes para sus experimentos, y hoy, están en todas partes:en los escáneres de resonancia magnética, altavoces, transformadores motores eléctricos y aceleradores de partículas.

Los imanes aceleradores doblan y dan forma a haces de partículas subatómicas cuando se disparan a velocidades cercanas a la de la luz. Los expertos diseñan imanes para que puedan manejar el rayo de la manera correcta y obtener la física que buscan.

Imanes aceleradores:¿cómo funcionan?

El movimiento de partículas cargadas, como protones y electrones, crea un campo magnético. De la misma manera, Los campos magnéticos influyen en el movimiento de partículas cargadas. Esa es la relación que Oersted ayudó a descubrir hace 200 años y más tarde los científicos llegarían a definir:la electricidad y el magnetismo son dos caras de la misma moneda.

Es un fenómeno que la humanidad ha explotado para cambiar el mundo. La red eléctrica que alimenta el dispositivo que está utilizando para leer esto surgió de una comprensión de la relación magnetismo-electricidad.

Los físicos de partículas han aprovechado el electromagnetismo para explorar los orígenes de nuestro universo controlando los haces de partículas en los aceleradores, aplastándolos contra un objetivo y produciendo aún más partículas para que los científicos las estudien.

Al pasar una corriente eléctrica a través de un cable enrollado, Los expertos en aceleradores producen un imán temporal con un polo norte y sur. Estos alambres en espiral forman los polos de los electroimanes utilizados en los aceleradores. Pueden disponerse no solo en electroimanes de dos polos, pero imanes con cuatro, seis o más polos.

No se equivoque:estos no son como los imanes de su hogar. Los imanes del acelerador pueden ser tan largos como una camioneta, a veces más largos, y pueden pesar toneladas. Por lo general, lleva meses construir cada uno.

Independientemente de los materiales utilizados para fabricarlos, Los imanes aceleradores se pueden clasificar según su número de polos. La mayoría vienen en uno de cuatro tipos:imanes dipolos que doblan el haz, los cuadrupolos enfocan el haz, los sextupolos corrigen el enfoque imperfecto de los cuadrupolos, y los octopolos pueden ayudar a aumentar la estabilidad de los haces de partículas almacenadas. En la jerga del acelerador, estos son los diferentes "multipolos" magnéticos que los científicos utilizan para manipular los rayos en estos motores de descubrimiento.

Dipolos:no es fácil maniobrar las vigas

Los dipolos suelen estar hechos de dos alambres en espiral separados con sus polos norte y sur uno frente al otro. Cuando la corriente fluye a través de las bobinas, se forma un campo magnético unidireccional en el espacio entre los polos.

"Los científicos e ingenieros de Accelerator pueden usar ese campo para doblar haces de partículas cargadas a lo largo de una curva, "dijo Jonathan Jarvis, científico asociado en Fermilab. "En pocas palabras, los dipolos son nuestra principal forma de llevar los haces a donde deben ir ".

Si estaba montado en un protón que se dirigía directamente a un campo magnético que apuntaba hacia abajo, usted y su protón se moverían hacia la izquierda en una cantidad proporcional a la fuerza del campo del imán. Cuanto más fuerte sea el campo magnético, más fuerte es el empuje hacia la izquierda que usted y su protón se sentirían. Para campos magnéticos verticales, el camino que trazaría es un arco circular horizontal.

Los imanes dipolo se utilizan generalmente para doblar haces de partículas. En un acelerador circular, por ejemplo, múltiples imanes dipolo están alineados a lo largo de la trayectoria del haz. El haz de partículas se mueve uno tras otro, ser empujado en una dirección con cada pasada para que siga la curva.

Los dipolos de acción rápida también se pueden usar para "patear" haces de partículas dentro o fuera del haz principal de un acelerador circular.

Cuadrupolos:mantenerse enfocado

Los imanes que aplican una fuerza unidireccional funcionan bien para doblar haces de partículas en una dirección particular, pero no pueden mantener la forma de una viga.

"Si dejamos el rayo a sus propios dispositivos en dipolos, se desmoronará, ", Dijo Jarvis." Al igual que una colección de moléculas de gas, un haz de partículas tiene una temperatura, y esa energía aleatoria hará que las partículas se separen naturalmente en un acelerador. Si las partículas del rayo no se vuelven a juntar, luego se estrellarán contra las paredes de las tuberías de vacío por donde están circulando ".

Entonces, los científicos usan imanes cuadrupolos para reenfocar las partículas rebeldes y traerlas de vuelta al pliegue.

Como su nombre indica, los cuadrupolos tienen cuatro polos alternos. Producen un campo magnético especial que puede volver a unir las partículas, similar a cómo las lentes pueden doblar los rayos de luz hacia un punto.

Un solo cuadrupolo enfoca un rayo en un plano. Por ejemplo, un cuadrupolo puede presionar los lados del rayo hacia adentro mientras corre a través de un acelerador, pero, similar a la forma en que un trozo de plastilina responde cuando aprietas sus lados, el rayo se desenfocará en la otra dirección.

La solución es encadenar múltiples cuadrupolos junto con orientaciones alternas. El rayo pasa a través de uno y se aprieta en la dirección horizontal. Luego pasa por el siguiente y se aprieta en dirección vertical. Con cada pellizco sucesivo, se vuelve enfocado.

El efecto neto es un haz estable de partículas que se mueven de un lado a otro mientras giran alrededor del acelerador.

De la misma manera, los cuadrupolos también pueden desenfocar haces. A medida que las partículas viajan a través de un acelerador, hay ocasiones en las que es mejor que la viga esté un poco menos compacta, disminuyendo la probabilidad de que las partículas interfieran entre sí. A medida que los rayos pasan a través de cuadrupolos de fuerza magnética más débil, se les permite extenderse primero en la dirección de arriba hacia abajo, luego en la dirección izquierda-derecha y así sucesivamente hasta que estén adecuadamente desenfocados.

Sextupolos:corrección de color

Así como los imanes dipolo pueden doblar un rayo pero no pueden mantenerlo enfocado, los cuadrupolos pueden enfocar partículas, pero no todos en la misma ubicación.

Las partículas que forman un rayo tienen energías ligeramente diferentes.

"Desafortunadamente, los cuadrupolos no se comportan exactamente igual para todas las energías del haz, Jarvis dijo:"Una partícula de mayor energía se ve menos afectada por el campo magnético de un cuadrupolo que una partícula de menor energía".

El resultado es que las partículas de alta y baja energía se enfocan en diferentes puntos a lo largo de la trayectoria del rayo. Esto es similar a la forma en que las gotas de agua doblan diferentes colores de luz para producir un impresionante arcoíris.

En cuadrupolos, esta 'aberración cromática' produce diferencias en la rapidez con que las partículas rebotan hacia adelante y hacia atrás en el acelerador, un fenómeno conocido por los científicos del acelerador como cromaticidad.

"En muchos casos, para ver la física que queremos, tenemos que corregir la cromaticidad, y hacemos esto usando sextupolos, ", Dijo Jarvis.

Cuando se coloca correctamente en el acelerador, Estos imanes de seis polos fuerzan a las partículas de mayor energía a alinearse con el resto del haz.

Octupolos:mezclándolos

Todos hemos tenido ese momento:estás caminando por un pasillo cuando alguien dobla una esquina y termina directamente en tu camino. Ambos maniobran de una manera luego otro, luego de nuevo en un intento de evitar chocar, un encuentro que puede parecer durar una eternidad. La razón por la que es tan difícil superar a la otra persona es el resultado de sus ritmos de movimiento similares. Si una persona se movía más lentamente, o simplemente mantuvo el rumbo, entonces este comportamiento sería suprimido.

Los haces de partículas pueden exhibir tipos similares de comportamiento colectivo si todos oscilan a la misma frecuencia.

Para estabilizar la situación, imanes de ocho polos, llamados octopolos, se puede utilizar para mezclar las frecuencias de las partículas. Los científicos llaman a la estabilización resultante 'amortiguación de Landau, 'y proporciona un haz de partículas con un poco de inmunidad natural contra algunos comportamientos inestables.

Desafortunadamente, la estabilidad aumentada y el enfoque mejorado impartido por imanes multipolares de orden superior tienen un costo.

"Estos imanes pueden producir resonancias dañinas y reducir el rango general de posiciones y energías que se permite que tengan las partículas almacenadas, ", Dijo Jarvis." Si las partículas se encuentran fuera de este rango de la llamada 'apertura dinámica', entonces se perderán del acelerador ".

Óptica integrable y más allá

Los científicos de las instalaciones de aceleradores de todo el mundo están trabajando para generar haces de partículas más productivos en su búsqueda de la física que sustenta el universo.

Una forma de hacerlo es aumentando la intensidad del rayo, es decir, la cantidad de partículas que empaquetan en un rayo. Pero hay una trampa:a medida que aumenta la intensidad, la forma en que se comportan las vigas puede volverse mucho más compleja, forzando los límites de lo bien que los imanes tradicionales pueden confinarlos.

Para allanar el camino para la próxima generación de física de partículas, Los científicos de aceleradores de Fermilab están considerando fundamentalmente nuevos tipos de imanes, los que pueden manejar intensidades de haz cada vez mayores.

"Estos imanes no lineales son efectivamente combinaciones especiales de muchos multipolos, y tienen el potencial de mejorar drásticamente la estabilidad del haz sin hacer las compensaciones inherentes a los octopolos simples, "dijo Jarvis.

A medida que los científicos continúan ampliando los límites de la tecnología de imanes, podremos mirar más profundamente en el mundo subatómico, descubriendo partículas exóticas que existen solo en las condiciones más extremas, observando la misteriosa transformación de los neutrinos y la desintegración de los muones, y finalmente llegar a una mejor comprensión de cómo comenzó el universo.

Es sorprendente pensar que el humilde imán es nuestra puerta de entrada a algunos de los misterios más profundos del universo, pero entonces de nuevo, ese es el poder de atracción.