En 1820, Hans Christian Oersted a fait une démonstration sur l'électricité à une classe d'étudiants avancés à l'Université de Copenhague au Danemark. En utilisant un premier prototype de batterie, il regarda quel effet aurait un courant électrique sur une boussole, et comme il n'avait pas eu le temps de tester son expérience au préalable, le résultat lui était tout aussi inconnu que ses étudiants. Lorsqu'il a terminé le circuit en attachant un seul fil aux deux extrémités de la batterie, le courant résultant a fait aligner l'aiguille de la boussole avec le fil, montrant que l'électricité et le magnétisme étaient deux facettes d'un même phénomène.

En générant un courant électrique, Oersted avait créé un aimant temporaire, un électro-aimant. Les physiciens ont continué à développer des électro-aimants pour leurs expériences, et aujourd'hui, ils sont partout :dans les scanners IRM, haut-parleurs, transformateurs, moteurs électriques et accélérateurs de particules.

Les aimants accélérateurs courbent et façonnent des faisceaux de particules subatomiques lorsqu'ils tirent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Les experts conçoivent des aimants afin qu'ils puissent utiliser le faisceau de la bonne manière pour produire la physique qu'ils recherchent.

Aimants accélérateurs :comment fonctionnent-ils ?

Le mouvement des particules chargées, telles que les protons et les électrons, crée un champ magnétique. Par la même occasion, les champs magnétiques influencent le mouvement des particules chargées. C'est la relation qu'Oersted a aidé à découvrir il y a 200 ans et que les scientifiques finiront par définir :l'électricité et le magnétisme sont les deux faces d'une même pièce.

C'est un phénomène que l'humanité a exploité pour changer le monde. Le réseau électrique qui alimente l'appareil que vous utilisez pour lire ceci est né d'une compréhension de la relation magnétisme-électricité.

Les physiciens des particules ont exploité l'électromagnétisme pour explorer les origines de notre univers en contrôlant les faisceaux de particules dans des accélérateurs, les écraser dans une cible et produire encore plus de particules à étudier par les scientifiques.

En faisant passer un courant électrique dans un fil enroulé, les experts en accélérateur produisent un aimant temporaire avec un pôle nord et sud. Ces fils enroulés forment les pôles des électro-aimants utilisés dans les accélérateurs. Ils peuvent être agencés non seulement en électro-aimants bipolaires, mais des aimants à quatre, six pôles ou même plus.

Ne vous y trompez pas :ce ne sont pas comme vos aimants ménagers. Les aimants d'accélérateur peuvent être aussi longs qu'une camionnette, parfois plus longs, et peuvent peser des tonnes. Il faut généralement des mois pour construire chacun.

Quels que soient les matériaux utilisés pour les fabriquer, Les aimants accélérateurs peuvent être classés selon leur nombre de pôles. La plupart sont de l'un des quatre types suivants :les aimants dipolaires courbent le faisceau, les quadripôles focalisent le faisceau, les sextupôles corrigent la focalisation imparfaite des quadripôles, et les octupôles peuvent aider à augmenter la stabilité des faisceaux de particules stockés. Dans le jargon de l'accélérateur, ce sont les différents "multipôles" magnétiques que les scientifiques utilisent pour manipuler les faisceaux dans ces moteurs de découverte.

Dipoles—ce n'est pas facile de diriger des faisceaux

Les dipôles sont le plus souvent constitués de deux fils enroulés séparés avec leurs pôles nord et sud se faisant face. Lorsque le courant circule dans les bobines, un champ magnétique unidirectionnel se forme dans l'entrefer entre les pôles.

« Les scientifiques et les ingénieurs des accélérateurs peuvent utiliser ce champ pour plier des faisceaux de particules chargées le long d'une courbe, " a déclaré Jonathan Jarvis, chercheur associé au Fermilab. "Mettre tout simplement, les dipôles sont notre principal moyen d'amener les faisceaux là où ils doivent aller."

S'il vous arrivait de rouler sur un proton se dirigeant droit vers un champ magnétique pointant vers le bas, vous et votre proton vous déplaceriez vers la gauche d'une quantité proportionnelle à l'intensité du champ de l'aimant. Plus le champ magnétique est fort, plus la traction vers la gauche vous et votre proton serait forte. Pour les champs magnétiques verticaux, le chemin que vous traceriez est un arc de cercle horizontal.

Les aimants dipolaires sont généralement utilisés pour courber les faisceaux de particules. Dans un accélérateur circulaire, par exemple, plusieurs aimants dipolaires sont alignés le long du trajet du faisceau. Le faisceau de particules se déplace l'un après l'autre, être poussé dans une direction à chaque passage afin qu'il suive la courbe.

Les dipôles à action rapide peuvent également être utilisés pour "envoyer" des faisceaux de particules dans ou hors du faisceau principal d'un accélérateur circulaire.

Quadrupôles :rester concentré

Les aimants appliquant une force unidirectionnelle fonctionnent bien pour courber des faisceaux de particules dans une direction particulière, mais ils ne sont pas capables de maintenir la forme d'un faisceau.

"Si nous laissons le faisceau à lui-même dans les dipôles, ça va se séparer, " dit Jarvis. " Tout comme une collection de molécules de gaz, un faisceau de particules a une température, et cette énergie aléatoire provoquera la dérive naturelle des particules dans un accélérateur. Si les particules du faisceau ne sont pas réunies, puis ils vont claquer dans les parois des tuyaux à vide où ils circulent."

Les scientifiques utilisent donc des aimants quadripolaires pour recentrer les particules capricieuses et les ramener dans le giron.

Comme le nom l'indique, les quadripôles ont quatre pôles alternés. Ils produisent un champ magnétique spécial qui peut rapprocher les particules, similaire à la façon dont les lentilles peuvent plier les rayons de lumière vers un point.

Un seul quadripôle focalise un faisceau dans un plan. Par exemple, un quadripôle peut comprimer les côtés du faisceau vers l'intérieur lorsqu'il traverse un accélérateur, mais, de la même manière qu'un morceau de Play-Doh réagit lorsque vous écrasez ses côtés, le faisceau se défocalisera dans l'autre sens.

La solution consiste à enchaîner plusieurs quadripôles avec des orientations alternées. Le faisceau passe à travers un et est comprimé dans le sens horizontal. Ensuite, il traverse le suivant et est comprimé dans le sens vertical. A chaque pincement successif, il devient concentré.

L'effet net est un faisceau stable de particules oscillant d'avant en arrière lorsqu'elles tourbillonnent autour de l'accélérateur.

Par la même occasion, les quadripôles peuvent également défocaliser les faisceaux. Lorsque les particules traversent un accélérateur, il y a des moments où il vaut mieux que le faisceau soit un peu moins serré, diminuant la probabilité que les particules interfèrent les unes avec les autres. Lorsque les faisceaux traversent des quadripôles de force magnétique plus faible, ils sont autorisés à s'étaler d'abord dans le sens haut-bas, puis dans le sens gauche-droite et ainsi de suite jusqu'à ce qu'ils soient convenablement défocalisés.

Sextupoles—correction des couleurs

Tout comme les aimants dipolaires peuvent courber un faisceau mais ne sont pas capables de le maintenir focalisé, les quadripôles peuvent focaliser les particules, mais pas tous au même endroit.

Les particules qui composent un faisceau ont des énergies légèrement différentes.

"Malheureusement, les quadripôles ne se comportent pas exactement de la même manière pour toutes les énergies de faisceau, " a déclaré Jarvis. "Une particule de plus haute énergie est moins affectée par le champ magnétique d'un quadripôle qu'une particule de plus faible énergie."

Le résultat est que les particules de haute et de basse énergie sont focalisées à différents points le long du trajet du faisceau. Ceci est similaire à la façon dont les gouttelettes d'eau plient différentes couleurs de lumière pour produire un magnifique arc-en-ciel.

En quadripôles, cette "aberration chromatique" produit des différences dans la rapidité avec laquelle les particules rebondissent dans l'accélérateur, un phénomène connu des scientifiques des accélérateurs sous le nom de chromaticité.

"Dans de nombreux cas, pour voir la physique que nous voulons, il faut corriger la chromaticité, et nous le faisons en utilisant des sextupôles, " a déclaré Jarvis.

Lorsqu'il est correctement placé dans l'accélérateur, ces aimants à six pôles forcent les particules de plus haute énergie à s'aligner avec le reste du faisceau.

Octupôles—le mélange

Nous avons tous vécu ce moment :vous marchez dans un couloir lorsque quelqu'un tourne au coin de la rue et se retrouve directement sur votre chemin. Vous manœuvrez tous les deux dans un sens, ensuite un autre, puis de nouveau pour tenter d'éviter la collision, une rencontre qui peut sembler durer des siècles. La raison pour laquelle il est si difficile de dépasser l'autre personne est le résultat de vos taux de mouvement similaires. Si une personne bougeait plus lentement, ou simplement maintenu le cap, alors ce comportement serait supprimé.

Les faisceaux de particules peuvent présenter des comportements collectifs similaires s'ils oscillent tous à la même fréquence.

Pour stabiliser la situation, aimants à huit pôles, appelés octupôles, peut être utilisé pour mélanger les fréquences des particules. Les scientifiques appellent la stabilisation résultante « amortissement de Landau, ' et il fournit un faisceau de particules avec un peu d'immunité naturelle contre certains comportements instables.

Malheureusement, la stabilité accrue et la mise au point améliorée conférées par les aimants multipolaires d'ordre supérieur ont un coût.

"Ces aimants peuvent produire des résonances nocives et réduire la gamme globale de positions et d'énergies que les particules stockées sont autorisées à avoir, " a déclaré Jarvis. " Si les particules se trouvent en dehors de cette plage de la soi-disant " ouverture dynamique ", alors ils seront perdus de l'accélérateur."

Optique intégrable et au-delà

Les scientifiques des installations d'accélérateurs du monde entier s'efforcent de générer des faisceaux de particules plus productifs dans leur quête de la physique qui sous-tend l'univers.

Ils y parviennent notamment en augmentant l'intensité du faisceau, c'est-à-dire le nombre de particules qu'ils emballent dans un faisceau. Mais il y a un hic :à mesure que l'intensité augmente, le comportement des faisceaux peut devenir beaucoup plus complexe, repousser les limites de la capacité de confinement des aimants traditionnels.

Pour ouvrir la voie à la prochaine génération de physique des particules, les scientifiques des accélérateurs du Fermilab envisagent des types fondamentalement nouveaux d'aimants, ceux qui peuvent gérer des intensités de faisceau toujours croissantes.

"Ces aimants non linéaires sont effectivement des combinaisons spéciales de nombreux multipôles, et ils ont le potentiel d'améliorer considérablement la stabilité du faisceau sans faire les compromis inhérents aux octupôles simples, " dit Jarvis.

Alors que les scientifiques continuent de repousser les limites de la technologie des aimants, nous pourrons approfondir le monde subatomique en découvrant des particules exotiques qui n'existent que dans les conditions les plus extrêmes, observer la mystérieuse transformation des neutrinos et la désintégration des muons, et finalement arriver à une meilleure compréhension de la façon dont l'univers a commencé.

Il est surprenant de penser que l'humble aimant est notre passerelle vers certains des mystères les plus profonds de l'univers, mais encore une fois, c'est le pouvoir d'attraction.