Acceleratori di Particelle - 2024 PDF

ACCELERATORI di PARTICELLE Bosone di Higgs: Simulazione di un evento di decadimento del bosone di Higgs in quattro muoni nell’esperimento Cms di Lhc (CERN). Realizzato grazie a Piwigo - © 2015 Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Milesi Maria Cristina Invernizzi Mo...

ACCELERATORI di PARTICELLE Bosone di Higgs: Simulazione di un evento di decadimento del bosone di Higgs in quattro muoni nell’esperimento Cms di Lhc (CERN). Realizzato grazie a Piwigo - © 2015 Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Milesi Maria Cristina Invernizzi Monica  ACCELERATORI di PARTICELLE: cosa sono? Un acceleratore di particelle è una macchina in grado di conferire una elevata energia cinetica ad un fascio di particelle CARICHE generato da una opportuna sorgente: Fascio ( 𝑒 − , 𝑒 + , 𝑝, 𝑖𝑜𝑛𝑖 …) con Fascio ( 𝑒 − , 𝑒 + , 𝑝, 𝑖𝑜𝑛𝑖 …) con Energia Energia iniziale 𝐸0 finale 𝐸𝑓 Per estensione sono così definiti anche gli anelli di accumulazione (storage rings). Si dividono, in base alla loro forma, in due famiglie: LINEARI (LINAC) CIRCOLARI o ad ANELLO A cosa serve un acceleratore di particelle? RICERCA: Acceleratori per la FISICA NUCLEARE e Acceleratori per SUBNUCLEARE APPLICAZIONI («microscopio sub- MEDICHE (cura atomico») dei tumori, e per lo studio delle radioterapia, condizioni dell’universo adroterapia, in un istante vicino al Big- CNAO di Pavia….) Bang («macchina del tempo»): LHC Acceleratori per la FISICA Acceleratori per DELLA MATERIA (RICERCA): APPLICAZIONI sorgenti di radiazioni per lo INDUSTRIALI o studio della struttura della COMMERCIALI materia e reazioni (impiantazione ionica, chimiche (LCLS, PARC, sterilizzazione dei sincrotroni…..) materiali…) Un esempio di tomografia Esempio di tomografia: OCT (tomografia a coerenza ottica), esame oculistico per valutare le caratteristiche della macula, della retina e dell’occhio, per la prevenzione ad esempio del glaucoma, per lo studio della cornea e delle sue caratteristiche in vista di interventi di chirurgia refrattiva. Si basa sullo studio interferometrico di luce a bassissima intensità (che non comporta pericoli per la salute dell’occhio) La luce viene prodotta da un laser a diodo infrarosso per chi fosse interessato, una semplice descrizione la trovate al link: http://www.aldovarotto.org/occhio/oct.htm Prima degli acceleratori di particelle… (Amaldi!) Lo studio della fisica atomica si basava sullo studio dei RAGGI COSMICI: prodotti da buchi neri e dai residui delle esplosioni delle supernovae Sono costituiti per il 10% da nuclei di elio (particelle alfa) e il 90% da nuclei di idrogeno Hanno energie molto elevate e nelle collisioni con i nuclei dell’atmosfera si creano nuove particelle, che decadono molto velocemente Nel 1932 C.Anderson scoprì che nella collisione dei fotoni dei raggi cosmici a bassa quota con le particelle dell’atmosfera si creano due particelle di massa uguale e carica opposta: viene scoperto il POSITONE (o POSITRONE o ANTIELETTRONE). Conferma sperimentale di quanto teorizzato nel 1928 da P.Dirac (ANTIMATERIA)  ORIGINE degli ACCELERATORI di PARTICELLE per la FISICA I primi acceleratori di particelle (anni 1920-1930) furono realizzati per studiare i costituenti più piccoli della materia. Un fascio di particelle che colpisce un target o collide con un altro fascio produce reazioni nucleari/subnucleari, annichilazione, nuove particelle. Lo studio di questi fenomeni con i rivelatori: Fornisce informazioni sui costituenti ultimi Ricreando densità di energia sempre più del nostro universo e sulle leggi che li elevate, consente di risalire ai primi istanti di governano (microscopio). vita dell’universo e di studiarne l’evoluzione (macchina del tempo). Immagine che contiene testo, monitor, nero, schermo Descrizione generata automaticamente Acceleratori come «microscopio»… il MODELLO STANDARD Acceleratori come «macchina del tempo» Immagine che contiene testo, monitor, nero, schermo Descrizione generata automaticamente  Sempre più veloci… Perché accelerare le particelle? Cioè è possibile esplorare dimensioni sempre più piccole del mondo subatomico  Con le energie raggiunte dall’acceleratore LEP del CERN era possibile esplorare dimensioni fino a 1/1000 del raggio del protone, cioè 1/1000 del fermi che corrisponde a 10−15 𝑚; con le energie di LHC a 1/10000 del fermi. Ma come si fa? Per esempio: se si fa collidere un elettrone con una particella carica, la forza elettromagnetica con cui interagiscono determina l’emissione di un FOTONE, cioè radiazione elettromagnetica, che poi può essere riassorbito dopo la collisione. Nel suo breve «tempo di vita» l’energia di questo fotone si distribuisce su un volume di raggio R: - se la particella bersaglio ha dimensioni maggiori di R, il fotone interagisce solo con una parte della sua carica e le dimensioni della particella vengono determinate analizzando come l’elettrone rincula dopo la collisione, come viene deflesso - se le dimensioni della particella sono inferiori a R, il fotone viene completamente assorbito dalla particella bersaglio e non si può conoscere nulla delle sue dimensioni, Perché l’uso degli acceleratori per lo studio delle condizioni dell’universo in istanti sempre più vicini al Big-Bang? 10-12s dopo il Big-Bang la temperatura dell’universo raggiunge i 1015K (oggi la temperatura dello spazio cosmico è 3K) A temperatura T < 104 K la materia si trova allo stato solido, liquido o gassoso A temperatura T > 104K la materia si trova allo stato di plasma (gas ionizzato costituito da elettroni e ioni, globalmente neutro) e le sue particelle assorbono i fotoni. Il plasma è perciò opaco alla luce, perciò non possiamo avere nessuna informazione. 380000 anni dopo il Big Bang la temperatura dell’universo è scesa sotto i 104K e esso è diventato trasparente alla luce: attraverso lo studio della radiazione fossile (che aveva λ=10-6m e giunge a noi con λ =10-3m sotto forma di microonde a causa dell’espansione dell’universo) possiamo avere informazioni sulle condizioni in https://www.asimmetrie.it/tags/tag/temperatura quel momento. (Vedi articolo rivista Asimmetrie: https://www.asimmetrie.it/tags/tag/temperatura) Per studiare l’universo in momenti sempre più vicini all’universo i fisici studiano le collisioni tra particelle ad alte energie, in modo che si producano particelle che non sono presenti nella materia ordinaria; più l’energia disponibile aumenta, più si è vicini a ricreare le condizioni prossime al Big-Bang Energie liberate nelle collisioni: 1eV= 1,6 ∙ 10−19 𝐽 Anni ‘50: circa 1 GeV → 10-6 s dopo Big-Bang Primi anni 2000: circa 200 GeV → 10-10 s dopo Big-Bang LHC: > 1000 GeV → 10-12 s dopo Big-Bang  SVILUPPO degli ACCELERATORI di PARTICELLE La capacità di creare nuove particelle e di rompere i legami nucleari aumenta con l’energia e con la quantità delle particelle coinvolte. Lo sviluppo degli acceleratori per la fisica delle alte energie è stato determinato dalla necessità di ottenere energie ed intensità di fascio sempre maggiori.  Alcune precisazioni: MISURA DELL’ENERGIA: un elettrone accelerato da una ddp di 1 Volt acquista l’energia cinetica di 1eV = q∙V = 1,6∙10−19 C ∙ 1V Ricordando che 𝐸𝑟𝑖𝑝𝑜𝑠𝑜 = 𝑚0 ∙ 𝑐 2 𝑚𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒 = 9,109 ∙ 10−31 kg → 𝐸𝑟𝑖𝑝𝑜𝑠𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒 = 0,511𝑀𝑒𝑉 posso riscrivere le masse in termini di energia: 𝑚𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒 = 1,673 ∙ 10−27 kg → 𝐸𝑟𝑖𝑝𝑜𝑠𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒 = 938,28𝑀𝑒𝑉 [Quindi facendo collidere particelle con energia sempre maggiore si ha la possibilità di ottenere dalle collisioni particelle con masse maggiori, che non possono manifestarsi ad energie inferiori; inoltre si possono esplorare dimensioni sempre inferiori del mondo subatomico] ACCELERARE una particella NON significa necessariamente AUMENTARE la sua VELOCITA’, quello che aumenta è la sua QUANTITA’ di MOTO RELATIVISTICA: 𝑚0 𝑐 2 𝑚0 𝑣 𝐸= 𝑣2 =𝛾𝑚0 𝑐 2 𝑝 = 𝑚𝑣 = 𝑣2 =𝛾𝑚0 𝑣 1− 2 1− 2 𝑐 𝑐 Un elettrone diventa relativistico quando la sua energia supera i 5 MeV. Un protone ha bisogno di una energia 1000 volte più alta. Al di sopra di una certa soglia la velocità della particella diviene costante e, ad un aumento di energia, corrisponde solo un aumento di MASSA RELATIVISTICA.  I PRIMI ACCELERATORI: metodo di accelerazione diretta, tramite alte tensioni Il primo acceleratore fu un apparecchio realizzato nel 1895 da ROENTGEN (Premio Nobel 1901) costituito da una ampolla a vuoto contenente un catodo connesso al polo negativo di un generatore di tensione (tensione= 2·104V). Riscaldato, il catodo, emetteva elettroni che fluivano, accelerati dal campo elettrico, verso l’anodo (a tensione positiva). Dall’urto con l’anodo gli e producevano raggi X. Raggi X vennero subito applicati per diagnosticare malattie e malformazioni (i tempi di posa erano molto lunghi): nasce la FISICA MEDICA DELLE RADIAZIONI. Solo negli anni ‘60 la rilevazione dei raggi X provenienti dal cosmo permise la scoperta di nuovi pianeti: nasce la FISICA COSMOPARTICELLARE  ACCELERATORE LINEARE Da un’idea di Ising (1924), applicata da Wideroe (1927) Accelerazione di particelle cariche tra gli elettrodi di un tubo a vuoto mediante un’alta tensione. Poiché al di sopra di 1MeV di energia è difficile evitare che nel tubo si producano scariche elettriche, si preferisce imprimere una numerosa serie di piccole spinte anziché un’unica forte spinta. Insieme di elettrodi cilindrici cavi, allineati lungo uno stesso asse e collegati a un generatore di tensione alternata. All’interno del tubo la particella si muove a velocità costante Tra due tubi viene accelerata I tubi devono essere via via più lunghi per mantenere il sincronismo con la fase della tensione alternata Limiti: Lunghezza del linac ha limiti pratici Il target è fisso  L’acceleratore lineare di Stanford (3 km) permise lo studio della struttura dei nucleoni (protoni e neutroni). 1956, elettroni accelerati a 188 MeV: misura delle dimensioni del protone, ~ 0.7 fm 1969, elettroni accelerati a 17 GeV: scoperta di “quark” all’interno del protone Gli acceleratori lineari vengono utilizzati nei reparti di medicina nucleare degli ospedali per la RADIOTERAPIA NOTA: in un acceleratore di particelle è necessario creare il VUOTO (pressione di 10−8 − 10−10 𝑚𝑏𝑎𝑟), altrimenti le particelle urterebbero contro le molecole d’aria e «verrebbero perse». Il Centro d’Accelerazione Lineare di Standford è un laboratorio nazionale statunitense che opera presso l’Università di Stanford, California, 50km a sud di San Francisco, costruito nel 1962. L’acceleratore principale è un Linac lungo 3km, interrato a 10m di profondità , passa sotto l’Interstate 280, può accelerare elettroni e positroni fino ad un’energia di 50Gev. Le ricerche allo SLAC hanno prodotto 3 Premi Nobel: 1976- Il quark CHARM (scoperta particelle Gei/Psi): Richter and Ting 1990- La struttura a quark dei nucleoni; Friedman, Kendall, Taylor 1995- Il tauone: Pearl Dal 1998 ha prodotto collisioni per l’esperimento BaBar per lo studio della simmetria c-p  IL CICLOTRONE E.O. Lawrence (PREMIO NOBEL 1939) nel 1929 ebbe l’idea di usare lo stesso «gap» molte volte facendo curvare la traiettoria della particella tramite un campo magnetico. Lawrence e Livingston costruiscono a Berkeley nel 1930 il primo ciclotrone Vengono utilizzati solo 2 elettrodi chiamati dees per la loro forma Le particelle sono accelerate da un campo elettrico quando si trovano nell’intercapedine che separa un elettrodo dall’altro Il campo magnetico perpendicolare agli elettrodi ha invece la funzione di mantenere le particelle su un percorso circolare Se il periodo di oscillazione della tensione alternata coincide col periodo di rotazione delle particelle, le circonferenze avranno raggio crescente (v aumenta, T rimane costante). CRITICITA’: quando l’energia è > 10MeV aumenta l’inerzia delle particelle e così il tempo necessario a percorrere ½ giro; a velocità relativistiche si perde isocronia → 1946 SINCROCICLOTRONI SCHEMA di FUNZIONAMENTO del CICLOTRONE: metodo con accelerazioni multiple Partendo dalla sorgente posta nel centro, per esempio un protone, che ha carica positiva, è attratto dal semidisco carico negativamente e viene invece respinto da quello carico positivamente. Entra poi nell’elettrodo dove non vi è campo elettrico ma solo un campo magnetico e percorre una semicirconferenza. Il campo elettrico tra gli elettrodi, alimentato da un generatore di tensione alternata che, in un semiperiodo inverte la sua polarità, si inverte proprio nel momento in cui il protone ritorna nell’intercapedine e subisce una nuova accelerazione. Il processo si ripete finché il protone, dopo aver percorso una spirale, arriva in periferia e viene estratto con la massima velocità. SINCROCICLOTRONE da 4,7m di BERKLEY Il Lawrence Berkeley Laboratory, fu fondato nel 1931 nell’omonima cittadina che si affaccia sulla baia di San Francisco (California). Nel 1948 vengono prodotti i primi mesoni artificiali, confermando le osservazioni fatte sui raggi cosmici Nel 1954 Venne costruito il BEVATRON: Billions of eV Syncrotron che, grazie a collisioni protone- nucleone accelerati a circa 6.5 GeV permise la scoperta dell’ ANTIPROTONE, con relativa assegnazione del Premio Nobel a E. Segrè e O. Chamberlain nel 1959. L’anno successivo O. Piccioni, col team Bevatron, scopri l’ANTINEUTRONE. Elementi chimici scoperti: Astato, Nettunio, Plutonio, Curio, Americio, Berkelio, Californio, Einstenio, Fermio, Mendelevio, Laurenzio, Seaborgio.  PRINCIPI di FUNZIONAMENTI di un SINCROTRONE I fasci di particelle cariche vengono ACCELERATI con l’utilizzo di CAMPI ELETTRICI DEFLESSI con l’utilizzo di DIPOLI MAGNETICI FOCALIZZATI con l’utilizzo di QUADRUPOLI MAGNETICI. L’equazione base per la descrizione dei vari processi è la seguente: 𝑑 𝑝Ԧ 𝑑(𝑚𝑣) = = 𝑞(𝐸 + 𝑣Ԧ × 𝐵) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 ACCELERAZIONE: CAMPO ELETTRICO DEFLESSIONE e FOCALIZZAZIONE: CAMPO MAGNETICO  IL SINCROTRONE Il sincrotrone è la macchina acceleratrice per particelle quasi relativistiche (con velocità già prossime a quella della luce) che dunque provengono da altre fasi di accelerazione (realizzate ad esempio mediante acceleratori lineari). Le particelle aumentano la loro energia attraversando zone in cui sono presenti campi elettrici (cavità risonanti a radiofrequenza) sono deflesse su una traiettoria di raggio costante da campi magnetici crescenti (generati da elettromagneti disposti ad anello); il campo magnetico aumenta durante il ciclo di accelerazione, per compensare l’aumento di quantità di moto, in sincronia con l’aumento di energia delle particelle. Da questo deriva il nome «SINCROTRONE» sono focalizzati da quadrupoli (weak or strong focusing) Il campo magnetico che deve curvare la traiettoria non è determinato da un unico grande magnete, ma da molti magneti più piccoli che sono posizionati lungo il percorso circolare delle particelle. CAVITTA’ ACCELERANTI a RADIOFREQUENZA  ANELLI di ACCUMULAZIONE L’idea è quella di realizzare collisioni frontali di due fasci che circolano CONTEMPORANEAMENTE in versi opposti nella stessa macchina per raddoppiare l’energia nel centro di massa: si costruiscono i primi collider p-p ed e-e. Bruno Touschek a Frascati propose nel 1960 il primo Anello di Accumulazione particella-antiparticella (elettroni e positoni in questo caso) che nella loro annichilazione avrebbero rilasciato tutta la loro energia per creare nuove particelle. In questo progetto l’Italia fece da pilota con la realizzazione di ‘’AdA’’ e poi un AdA più grande e potente ‘’ADONE’’ che utilizzano come iniettore l’elettrosincrotrone da 1.1Gev. INFN fondato nel 1951. AdA 1961-1965 Primo Presidente Gilberto Bernardini e ELETTROSINCROTRONE (1.1Gev) secondo Edoardo Amaldi. Laboratori Frascati INFN La costruzione del primo sincrotone inizia a Frascati nel 1954, entra in 1959-1975 funzione nel 1959. ADONE (1.5+1.5 Gev) 1968-1993  Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire https://www.youtube.com/watch?v=wo9vZccmqwc https://www.youtube.com/watch?v=Qwouvh-1v1Y E’ il più grande laboratorio al mondo per la fisica delle particelle (alte energie). Si trova al confine tra Svizzera e Francia, vicino a Ginevra: 22 sono i Paesi che, oggi, fan parte di questa sinergia FORTEMENTE voluta, fin dal primo dopoguerra da U. Amaldi. SITO DEL CERN:https://home.cern/resources/faqs/facts-and-figures-about-lhc  COMPLESSO degli ACCELERATORI del CERN Gli acceleratori principali a disposizione del CERN sono: Due LINAC, o acceleratori lineari, che generano particelle a bassa energia, successivamente immesse nel PS Booster. Sono noti come LINAC2 e LINAC3 e forniscono protoni da 50 MeV e ioni pesanti da 4.2 MeV per nucleone rispettivamente. Tutta la catena di acceleratori successiva dipende da queste sorgenti. Il Low Energy Ion Ring (LEIR), che accelera fasci di ioni di piombo fino a 72 MeV per nucleone, ha iniziato a lavorare nel 2010 nella catena di pre-accelerazione di LHC. Il PS Booster, costituito da 4 sincrotroni sovrapposti con un raggio di 25 m, aumenta l'energia delle particelle generate dai LINAC prima di iniettarle nel PS. Viene inoltre utilizzato per esperimenti separati, come ad esempio ISOLDE, che studia nuclei instabili di isotopi molto pesanti. Il Proton Synchrotron (PS), costruito nel 1959, un sincrotrone con una circonferenza di 628.3 m in grado di accelerare protoni fino a 28 GeV oltre a tutta una serie di particelle accelerate per diversi esperimenti. In particolare riceve protoni dal Proton Synchrotron Booster e ioni di piombo dal Low Energy Ion Ring. Il Super Proton Synchrotron (SPS), un acceleratore circolare di 2 km di diametro, costruito in un tunnel, che iniziò a funzionare nel 1976. Originariamente aveva un'energia di 300 GeV, ma è stato potenziato più volte fino agli attuali 450 GeV per il protone. Oltre ad avere una propria linea di fascio rettilinea per esperimenti a bersaglio fisso, ha funzionato come collisore protone-antiprotone e come stadio finale di accelerazione per gli elettroni e i positroni da iniettare nel Large Electron Positron Collider (LEPC). Ha ripreso questo ruolo per i protoni e gli ioni piombo immessi in LHC. Il Large Hadron Collider (LHC), entrato in funzione il 10 settembre 2008 dopo lo smantellamento di LEPC. Si estende su una circonferenza di 27 chilometri ed è stato inizialmente progettato per accelerare protoni fino a un massimo di 7 TeV di energia; permettendo di studiare le particelle elementari in condizioni sperimentali paragonabili a quelle dei primi momenti di vita dell'Universo, subito dopo il Big Bang. Interdisciplinarietà della fisica e tecnologia degli acceleratori di particelle Immagine di David Alesini – LNF INFN Frascati Stage estivi residenziali 2016  SCOPERTE al CERN LEP Il Modello Standard, tramite la teoria di Glasgow-Salam-Weinberg (Premio Nobel 1979), prevedeva l’unificazione delle forze elettriche e deboli in grado di agire tramite particelle virtuali detti bosoni vettori intermedi che, per rispettare la simmetria di Gauge ma al contempo assumere massa finita, necessitavano dell’esistenza di una ulteriore particella che generasse una rottura spontanea della simmetria: il bosone. 1974-Correnti deboli neutre e scoperta del bosone vettore neutro 𝑍 0 nella camera a bolle GARGAMELLE 1983-Scoperta dei bosoni vettori carichi 𝑊 + 𝑒𝑊 − negli esperimenti UA1 e UA2 (sono quelle del decadimento β!!!). Premio Nobel a Rubbia. 1984-N.P. a C. Rubbia e S. Van der Meer 1992-N.P. a G. Charpack per l’invenzione e lo sviluppo delle multiwires proportional chambers LHC Video del 11/11/2008: https://www.youtube.com/watch?v=aS1THndozrc Collaborazione CERN-Lab.G.SASSO: un fascio di neutrini prodotti all’SPS del Cern viene ‘’inviato’’ (NON tramite un tunnel…) verso il rivelatore a emulsione OPERA. 2015-N.P. a Takaaki e McDonald per la ‘’scoperta delle oscillazioni del neutrino e dimostrazione che il neutrino ha massa’’ 2012-N.P. a Higgs e F. Englert per la scoperta del ‘’meccanismo di Higgs’’ da loro proposto indipendentemente fin dal 1964. ACCELERATORI nel MONDO  qualche altro acceleratore storico…. Il FERMILAB, noto anche come FNAL, è un laboratorio nei pressi di Chicago dove, fino al 2011, era attivo il Tevatron: l’acceleratore protone-antiprotone di 6,3km di circonferenza in grado di produrre le collisioni con energia nel centro di massa, fino a quel momento, più elevata: 2Tev. Le ricerche al FERMIILAB hanno prodotto le seguenti scoperte: 1977 quark bottom 1995 quark top 2000 neutrino tauonico Ai Brookhaven National Laboratories, a nord di New York, si trova il RHIC Relativistic Heavy Ion Collider, il secondo per energia ed ultimo collisionatore per ioni pesanti al modo (l’altro è l’LHC) dove, ad una temperatura di 4000miliardi di K si lavora al plasma di quark e gluoni.  ACCELERATORI CHE CURANO a cura di Monica Invernizzi U.Amaldi «Sempre più veloci», cap.6 → si veda il file caricato in Drive  ACCELERATORI per la DIAGNOSI L’uso dei raggi X in medicina 9 novembre 1895 W.Rontgen scopre i raggi X (fotoni di 0,01MeV) Applicazione diagnostica: RADIOGRAFIE 13 gennaio 1896 annuncio della scoperta, 3 settimane dopo a Liverpool, uso della radiografia per visualizzare la pallottola nella mano di un ragazzo (tempo di posa 4 ore) Successivamente usati negli ospedali da campo militari Applicazioni terapeutiche: RADIOTERAPIA 29 gennaio 1896 (Chicago) irradiazione di un tumore al seno, senza esito 26 luglio 1896 (Lione) irradiazione di un tumore allo Primo decennio del Novecento: stomaco migliorano le tecniche per controllare, collimare e dosare la radiazione, 24 novembre 1896 (Vienna) irradiazione di un tumore permettendo di ridurre la durata superficiale di una bambina (che sopravvisse) dell’irradiamento  RADIOGRAFIA → raggi X λ = 𝟏𝟎−𝟏𝟐 𝒎 − 𝟏𝟎−𝟗 𝒎 𝒇 = 𝟏𝟎𝟏𝟔 𝑯𝒛 − 𝟏𝟎𝟏𝟗 𝑯𝒛 Come funziona? L’esame si basa sulla capacità dei raggi x di impressionare una pellicola fotografica o uno schermo con diversa intensità a seconda dell’assorbimento da essi subito nel passaggio attraverso i diversi tessuti. I raggi X attraversano i tessuti in quantità diversa a seconda della loro densità e della composizione: le ossa, ad esempio, vengono attraversate meno facilmente rispetto ai tessuti molli, come le fibre muscolari. Nella lastra radiografica l’immagine che si ottiene è in negativo: le parti del corpo più dense e consistenti, come le ossa, appaiono chiare perché assorbono una maggiore quantità di radiazione, mentre i tessuti molli (fibre muscolari e vasi) appaiono grigi, e gli organi che vengono attraversati dai raggi X quasi totalmente, ad esempio i polmoni, appaiono scuri. Il dosaggio delle radiazioni: Per poter eseguire un esame radiologico bisogna che la quantità globale di raggi X che arriva sullo schermo fluorescente, o sulla pellicola, sia sufficiente. A seconda dello spessore e della consistenza del corpo da esaminare, il fascio incidente deve possedere intensità e capacità di penetrazione (energia) appropriate. Per variare queste grandezze l'operatore agisce, tramite il tavolo di comando, sulla combinazione di tre fattori: potenziale elettrico applicato al tubo, intensità di corrente del tubo, tempo di esposizione. Ad esempio, se il paziente è molto grosso e muscoloso, è necessario usare radiazioni più penetranti, a minore lunghezza d'onda; se l'organo da studiare è dotato di movimenti involontari (cuore, stomaco), è necessario ridurre al minimo il tempo di esposizione. Se invece l'oggetto è ben fermo (osso) il tempo di esposizione può essere relativamente lungo e si può incrementare l'intensità del fascio. L'immagine che ne deriva è più definita e più ricca di dettagli. Si veda: radiografia e raggi X: ttps://www.my-personaltrainer.it/salute/radiografia.html raggi X e medicina: https://www.my-personaltrainer.it/salute/raggi-x.html  La TAC (Tomografia Assiale Computerizzata) detta anche CT Tensione accelerante 105 𝑉: gli elettroni raggiungono (Computed Tomography energia 0,1MeV e penetrano meno di 1/100 di mm nell'anodo (+), producendo raggi X (fotoni) con energia da 0 a 0,1 MeV. I fotoni inviati sul paziente interagiscono con gli elettroni dei tessuti del paziente e sono in parte assorbiti; il flusso di fotoni che emerge dagli organi attraversati viene misurato da rivelatori Il tubo dell'apparecchio si muove a spirale e scansiona il corpo del paziente. Risultato della TAC è una immagine che mostra forma e Un pc raccoglie i dati relativi ai raggi X non assorbiti, dimensioni degli organi e ne provenienti da diverse direzioni, e ricostruisce mette in luce eventuali l'immagine tridimensionale dei tessuti (le ossa appaiono alterazioni patologiche. chiare e i tessuti molli scuri, poiché le ossa hanno densità La TAC permette un’analisi di elettroni pari a 1,5 volte quella dei tessuti molli, perciò morfologica di organi e tessuti assorbono maggiormente).  La PET (Tomografia a Emissione di Positroni) Viene usata quando è necessario avere informazioni sul metabolismo irregolare di organi e tessuti, dovuto alla presenza di tumori, che non viene rilevato dalla TAC. Nel paziente viene iniettato un RADIOFARMACO (fluorodesossiglucosio FDG = fluoro-18 + desossiglucosio, sostanza lievemente radioattiva) che ha una emivita di 109 minuti. Viene prodotto in un ciclotrone bombardando con elettroni acqua arricchita da ossigeno-18 che si trasforma in fluoro-18 (l’ossigeno 18 ha 8 protoni e 10 neutroni, bombardato da elettroni acquista un protone e perde un neutrone e diventa fluoro 18) Le cellule tumorali metabolizzano glucosio più delle cellule sane e con esso assorbono FDG. Quando il fluoro-18 decade emette positroni che penetrano nei tessuti per alcuni mm e si annichilano con gli elettroni atomici delle cellule del tessuto emettendo due fotoni da 0,5MeV. I fotoni vengono rilevati e questo permette di ricostruire la posizione da cui sono stati emessi e di ricostruire la forma del tessuto con le cellule tumorali  ?? Alle persone sottoposte a PET viene raccomandato di tenersi lontani da bambini e donne in stato di gravidanza per le 24h successive all’esame? Perché? Se l’emivita del radiofarmaco è 109 minuti, dopo 24h qual è la percentuale di radiofarmaco ancora presente nel corpo del paziente? Dopo quanto tempo è inferiore al 5% della quantità iniziale? Apparecchio per TAC e PET Le due tecniche diagnostiche possono essere applicate contemporaneamente combinando le loro immagini tridimensionali (PET-TC), per avere informazioni simultanee sulla morfologia e il metabolismo dei tessuti Che differenza c’è tra la PET e la Scintigrafia Ossea? L’esecuzione dei due esami è molto simile La differenza sta nell’individuazione della malattia: la PET rileva i tessuti malati, la scintigrafia al contrario quelli sani. Permette di studiare l’apparato osseo attraverso l’analisi del suo metabolismo. Infatti nella scintigrafia il radiofarmaco non va ad addensarsi dove c’è la neoplasia, ma si distribuisce maggiormente nel tessuto sano. Attraverso l’esame delle radiazioni emesse dal radiofarmaco vengono analizzate le strutture ossee e le loro anomalie. La scintigrafia viene utilizzata per diagnosticare tumori benigni o maligni delle ossa, metastasi (cioè lesioni tumorali secondarie determinate da tumori localizzati in altri organi), patologie infiammatorie articolari, infezioni ossee. La scintigrafia produce immagini bidimensionali, TAC e PET invece immagini tridimensionali  Quali rischi per la salute? Esposizione non trascurabile alle radiazioni ionizzanti. Il principale effetto dell’esposizione alle radiazioni ionizzanti è l’aumento del rischio di sviluppare un cancro sul lungo termine. Le radiazioni ionizzanti (raggi X, gamma, alfa, beta e neutroni) sono onde elettromagnetiche o raggi corpuscolari dotati di un’energia sufficiente per liberare degli elettroni dai atomi quando attraversano la materia. Questi atomi modificati, detti ioni, possono indurre reazioni chimiche che causano danni biologici. A livello cellulare, le radiazioni possono indurre dei danni alle molecole del DNA. Questi danni possono causare la morte della cellula oppure vengono riparati correttamente tramite i meccanismi di protezione della cellula. Può però anche accadere che venga fatta una riparazione errata, che produce comunque una cellula vitale. Si suppone che il cancro da radiazioni sia indotto da quest’ultimo meccanismo. Quali rischi per la salute? Una radiografia del torace espone i pazienti a una dose di radiazioni ionizzanti pari solo a 10 giorni di radioattività naturale La dose di raggi X emessi da una TAC varia in base al tipo di TAC stessa; per esempio: - la TAC alla testa espone il paziente a una dose di radiazioni ionizzanti pari a 8 mesi di radioattività naturale, - la TAC total body a una dose pari a ben 7-8 anni di radioattività naturale.  La radioattività naturale è quella che viene generata da fonti che si trovano in natura. La radioattività naturale è di origine terrestre, dovuta ai radionuclidi primordiali presenti nella crosta terrestre, e di origine cosmica (raggi cosmici). Esempi di radionuclidi naturali sono l’uranio, presente in molte formazioni geologiche, il radon (elemento gassoso derivante da una famiglia radioattiva dell’uranio e presente in molti ambienti domestici) e il potassio presente, oltre nella crosta terrestre, nel corpo umano. La principale fonte di esposizione della popolazione alla radioattività naturale di origine terrestre è rappresentata dai prodotti di decadimento del radon, un gas radioattivo generato nei suoli e nelle rocce che si concentra negli ambienti chiusi (abitazioni, scuole, ambienti di lavoro). Un’ulteriore fonte di esposizione a radiazioni naturali può derivare da materiali contenenti radionuclidi di origine naturale che costituiscono la materia prima, il prodotto o il residuo del ciclo produttivo di particolari lavorazioni e di attività industriali, e possono comportare un significativo aumento dell’esposizione della popolazione e dei lavoratori. Elementi radioattivi possono trovarsi in materiali di uso comune (ad esempio granito, materiali da costruzione, fertilizzanti, petrolio, ecc). LA RMN (Risonanza Magnetica Nucleare o Tomografia a Risonanza Magnetica Non ha nulla a che fare con gli acceleratori! Però è una metodologia di indagine diagnostica importante. Vediamo come funziona! Dal punto di vista tecnologico è molto più recente rispetto alla TAC. È un esame innocuo che non utilizza né raggi X né sorgenti radioattive È una tecnica diagnostica basata sull'utilizzo di un campo magnetico esterno stabile e campi magnetici oscillanti, che generano onde elettromagnetiche a radiofrequenza. Sono ben visibili i tessuti molli, ricchi di acqua, permette la discriminazione tra tipologie di tessuti talora non apprezzabile con altre tecniche radiologiche. Il paziente viene introdotto all'interno della macchina di RM, un tubo abbastanza aperto alle due estremità e viene irradiato da un campo magnetico ad elevata intensità. All'interno della macchina, le forze generate nel campo magnetico fanno sì che i momenti magnetici delle molecole del paziente si allineino alla direzione del campo esterno, inducendo temporanee alterazioni dei nuclei che, quando le onde radio vengono interrotte, ritornano alla normalità, dando luogo a segnali che vengono trasmessi a un computer e trasformati in immagini tridimensionali. In queste immagini i tessuti si presentano di colore chiaro se ricchi di acqua, a causa dell'abbondante presenza di atomi di idrogeno (elemento basilare dei tessuti biologici) e scuri se ne sono poveri. Come si produce l’immagine della RM? Per avere un’immagine tridimensionale esistono, negli apparati diagnostici, più avvolgimenti, percorsi da correnti diverse. L’avvolgimento principale genera il campo magnetico più rilevante, spesso di un valore all’incirca di 1T, pari a 30000 volte il campo magnetico terrestre. I valori del campo sono quindi molto elevati e vengono ottenuti facendo percorrere gli avvolgimenti da correnti molto intense. Queste, se circolassero in normali conduttori (ad esempio di rame), darebbero luogo alla dissipazione di una grande quantità di energia causando i relativi problemi di smaltimento del calore prodotto. Gli avvolgimenti principali sono perciò costruiti con materiali superconduttori nei quali la resistenza elettrica, se mantenuti a temperatura molto bassa (~4 K, che è la temperatura di ebollizione dell’ He liquido a pressione atmosferica), risulta rigorosamente nulla. Per operare a così basse temperature è necessario usare grandi quantità di isolante termico e questo rende ragione delle grandi dimensioni degli apparati usati nella diagnostica. Quando questo campo esterno viene «acceso», le molecole dei tessuti orientano i loro momenti magnetici nella sua direzione. Successivamente vengono sottoposti all’azione di altri campi, attraverso l’uso di 3 bobine che creano campi non omogenei; quando vengono accesi determinano un’alterazione nei momenti delle molecole dei tessuti, quando vengono spenti le alterazioni cessano. Questo cambiamento genera un segnale (energia che viene liberata dalle molecole durante queste loro rotazioni) che viene rilevato; il fatto che il campo non sia omogeneo permette di determinare esattamente la posizione da cui il segnale viene emesso e quindi di ricostruire un’immagine dei tessuti.  La RM sottopone il paziente a rischi? Per chi è controindicata? La risonanza magnetica è sconsigliata per: - donne gravide, soprattutto nel primo trimestre - portatori di pacemaker cardiaco, neurostimolatori e clip intracraniche per aneurisma, poiché i campi magnetici prodotti dall’apparecchiatura potrebbero alterare il loro funzionamento - chi, a seguito di incidenti o di interventi chirurgici, ha nel corpo altre strutture metalliche di vario tipo, specialmente se in prossimità di organi vitali, per evitare che i campi magnetici prodotti dalla macchina possano provocare il loro spostamento o il loro surriscaldamento. Tipicamente si tratta di protesi, chiodi e viti applicate in ortopedia, ma esistono anche altri dispositivi in uso in altri rami della chirurgia (per esempio in interventi di angioplastica su arterie e vene), realizzati con materiali che potrebbero rendere rischioso l'esame. - Chi ha protesi del cristallino impiantate per la cataratta prima della metà degli anni Ottanta del secolo scorso o valvole cardiache metalliche Cosa significa RM con contrasto? Al paziente viene iniettato un mezzo di contrasto, contenete gadolinio (metallo raro, paramagnetico), per potenziare l’effetto della risonanza (infatti le sostanze paramagnetiche si allineano al campo esterno) e migliorare la qualità delle immagini ottenute. Questo metallo è tossico, utilizzato in piccole quantità, in una soluzione acquosa, legato ad altre molecole che ne riducono la tossicità.  TUMORI E LORO TERAPIA Un tessuto che cresce fuori controllo, poiché nelle sue cellule il meccanismo di divisione cellulare è alterato, è interessato da un TUMORE. Le cellule tumorali di un tessuto possono diffondersi attraverso il sistema sanguigno e linfatico dando origine a metastasi in altre parti del corpo. Le TERAPIE dei tumori sono di diverso tipo: Asportazione chirurgica: per i tumori solidi che hanno confini definiti, si estende poi ai linfonodi vicini che possono essere sede di metastasi Radioterapia (circa il 50% dei malati) Chemioterapia: somministrazione di farmaci che hanno l’obiettivo di distruggere le cellule e i tessuti metastatici sui quali non si può intervenire con la radioterapia o con l’asportazione RADIOTERAPIA →uso dei raggi X λ = 𝟏𝟎 −𝟏𝟐 𝒎 − 𝟏𝟎−𝟗 𝒎 𝒇 = 𝟏𝟎𝟏𝟔 𝑯𝒛 − 𝟏𝟎𝟏𝟗 𝑯𝒛 Cura il 90% dei tumori solidi (radiosensibili) Le macchine per radioterapia attuali utilizzano acceleratori lineari LINAC per accelerare gli elettroni a 5-25 MeV, che poi sono deflessi da un campo magnetico e urtando un bersaglio di metallo vengono rallentati ed emettono fotoni Un fascio di fotoni penetranti di 5-10 MeV colpisce le cellule malate: mettono in movimento gli elettroni degli atomi, che si muovono nei tessuti ionizzando gli atomi delle molecole di DNA nelle cellule, disinnescando il funzionamento dei loro geni e impedendone la duplicazione. Per lo più si ionizzano le molecole di acqua delle cellule, così si formano radicali liberi che hanno notevoli capacità ossidanti; i radicali liberi sul DNA rompono i filamenti della doppia elica. Quando le rotture sono complesse la cellula mette in atto un «suicidio programmato» (apoptosi) e non si riproduce più. Le cellule malate sono più sensibili alla radioterapia, rispetto a quelle sane. Il fascio colpisce la zona tumorale con una precisione di qualche millimetro Il piano terapeutico prevede di solito 30 sedute giornaliere da 15-20 minuti; questo per permettere alle cellule sane nelle vicinanze del tumore di ripararsi Effetti della radioterapia sui tessuti Per misurare l’effetto di un fascio di radiazioni su un tessuto si usa l’unità di misura Gy=«Gray» dal nome del fisico che la introdusse nel 1940. 1Gy = 1J/1kg dose di radiazione che strappa 2 ∙ 104 elettroni se assorbita da un tessuto biologico Un tessuto a 20cm di profondità, irradiato con elettroni a 10MeV nella dose di 1Gy, assorbe una quantità di radiazione di 0,5Gy. Il massimo assorbimento invece si ha a 2cm di profondità. Apparecchio per radioterapia, Humanitas Gavazzeni Bergamo  L’ADROTERAPIA (terapia con adroni) Utilizza fasci di ADRONI (particelle fatte di quark): per lo più protoni e ioni carbonio. L’uso di protoni: Attraversando i tessuti i protoni strappano elettroni alle molecole, ionizzandole. Il numero massimo di ionizzazioni e la profondità di penetrazione dipende dall’energia dei protoni: con protoni da 200MeV si raggiunge una profondità di 27cm. Usando protoni di diverse energie si possono colpire tumori di qualsiasi lunghezza e a qualsiasi profondità. Contrariamente ai raggi X, le cellule sane oltre il tumore non vengono colpite, perché i protoni si fermano I primi studi sull’uso di protoni e i loro effetti sono del 1945, ma solo negli anni ‘80 e ‘90 si è iniziato ad utilizzarli in maniera più consistente. Perché? Raggi X → richiedono di accelerare elettroni a 10MeV Protoni → devono essere accelerati a 200MeV e sono 2000 volte più pesanti → costi maggiori!!! → necessità di usare ciclotroni o sincrotroni e non LINAC Catana primo ciclotrone per protonterapia in Italia, attivo dal 2002 a Catania presso i Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN per la cura del melanoma oculare. L’uso di ioni carbonio: Gli ioni carbonio, per giungere a profondità di 27cm devono essere portati a 5000 MeV di energia Avendo carica +6e strappano, alla stessa profondità, molti più elettroni alle cellule che attraversano (25 volte quelli dei protoni) Mentre i protoni danneggiano indirettamente il DNA attraverso l’azione dei radicali liberi, gli ioni carbonio producono effetti letali diretti sulle cellule cancerose (perciò sono in grado di curare i tumori radioresistenti, cioè quelli poco vascolarizzati) 1994: Il primo centro ospedaliero HIMAC in Giappone 2009: HIT in Germania Confronto tra radioterapia e adroterapia Picco di Bragg = punto dove si ha il massimo numero di ionizzazioni. Dipende dall’energia delle particelle Confronto tra radioterapia e adroterapia La zona rossa rappresenta dove si ha la massima concentrazione di radiazione o di protoni che vanno a colpire le cellule del paziente. Diapositiva e immagini del CNAO (visita virtuale 25/11/2020) La zona blu quella meno irradiata. Catana primo ciclotrone per protonterapia in Italia, attivo dal 2002 a Catania presso i Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN per la cura del melanoma oculare. Articolo tratto da Asimmetrie n°6, 2008, Ugo Amaldi CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica ) 2011: Pavia, terzo centro ospedaliero al mondo Da un’idea di U.Amaldi e G.Tosi (fisico medico) del 1991, con il sostegno dell’INFN e del CERN 2001 U.Veronei (ministro salute) crea la fondazione CNAO e stanzia un finanziamento di 20 milioni di euro Sincrotone per ioni carbonio e protoni I vantaggi sono innegabili; i costi superiori, non solo per la costruzione dei centri di adroterapia, ma per la terapia stessa: 8-12 mila euro per ciclo di radioterapia 20-25 mila per ciclo di adroterapia 50-70 mila euro per ciclo di chemioterapia prolungato SINCROTONE Diametro 25m Circonferenza 78m CNAO a Pavia https://fondazionecnao.it/ 1 cavità RF a radio frequenza (rosa) 16 dipoli (blu) 24 quadrupoli (verdi) 20 correttori della traiettoria (rossi) Prima di entrare nella circonferenza del sincrotrone i protoni e gli ioni carbonio subiscono due accelerazioni. Nel sincrotrone compiono un percorso di 80000km Le energie raggiunte sono: 7-250 MeV per i protoni 7-4800 MeV per gli ioni carbonio Il viaggio della particella: CNAO 9 Un fascio di protoni a 250 MeV è costituito da 10 https://www.youtube.com/watch?v=Gf5iNS--I3s particelle, per un totale di 2,5 ∙ 1017 𝑒𝑉 Il sincrotone di CNAO: https://fondazionecnao.it/adroterapia/sincrotrone Patologie trattabili: https://fondazionecnao.it/patologie-trattabili La precisione con cui vengono colpite le cellule Ricerche al CNAO: https://fondazionecnao.it/ricerca tumorali è di 200μm Foto di Marco Moratti Le terapie al CNAO e il SSN Le patologie trattabili con adroterapia presso il CNAO sono rimborsate dal SSN, in quanto rientrano nei Livelli essenziali di assistenza (LEA) (approvati nel decreto del Presidente del Consiglio dei Ministri del 12 gennaio 2017 (GU n. 65, Suppl ordinario 1S, 18 marzo 2017). Presso CNAO inoltre sono trattabili altre patologie - tumori della prostata ad alto rischio - tumori al pancreas - neoplasie ginecologiche nell’ambito dei relativi studi clinici in corso Quale futuro per gli acceleratori in medicina? La gran parte degli acceleratori al mondo viene usata per scopi medici La sfida tecnica/tecnologica è quella di poter produrre acceleratori di dimensioni e costi contenuti così da renderli accessibili alla gran parte degli ospedali e per poter trattare un numero sempre maggiore di pazienti e a costi inferiori L’Italia eccelle nella costruzione di piccoli LINAC usati in sala operatoria (dopo l’asportazione del tumore, prima della sutura, per irradiare e uccidere eventuali cellule cancerose residue→ IORT =IntraOperative Radiation Therapy) Conclusione Acceleratori… dalla ricerca «pura» in fisica nucleare e delle particelle a strumento per la collettività e la tutela della salute La scienza non è fine a se stessa o alla pura conoscenza ma al servizio del bene comune