Simulazioni di interazioni di particelle e nuclei con la materia e loro applicazioni

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1 Simulazioni di interazioni di particelle e nuclei con la materia e loro applicazioni in ricerca di base ed applicata G.Battistoni INFN, Sezione di Milano 26 Ottobre 2004 Roma 1

2 Outline L interazione particelle-materia Il metodo Monte Carlo per trasporto e interazione di particelle concetti significato matematico struttura e contenuto modo di impiego limiti del metodo Rassegna di alcuni codici in uso Esempi di applicazione in ricerca di base fisica agli acceleratori, fisica passiva e raggi cosmici Esempi di uso dei MC di trasporto ed interazione in fisica applicata radioprotezione, radiobiologia, fisica medica Alcune considerazioni su fisica e informatica Conclusioni 26 Ottobre 2004 Roma 1 2

3 Eventi di interazione di particelle nella materia (Rivelatore ad Argon Liquido ICARUS, 2001) 25 cm Sciame e.m. e cm 434 cm 265 cm 85 cm Decadimento m + Æe + n e n m Interazione adronica 142 cm 26 Ottobre 2004 Roma 1 3

4 Propagazione e interazione di particelle (e nuclei) nella materia A livello classico/deterministico: traiettorie in regioni di spazio dove sono definiti campi classici (magnetici/elettrici): es.: deflessione in campo magnetico Processo stocatisco a livello microscopico : differenti processi con differenti distribuzioni di probabilita Interazioni e.m. (QED): ionizzazione/eccitazione atomi (de/dx) scattering coulombiano bremsstrahlung produzione di coppie effetto compton effetto fotoelettrico... Loro dipendenza dai parametri atomici 26 Ottobre 2004 Roma 1 4

5 Interazioni deboli: decadimenti La fisica meno facile... interazione n-nucleo, n-elettrone Interazioni forti (adroniche/nucleari): produzione di particelle in urti inelastici e diffrattivi adrone-adrone, adrone- nucleo scattering elastico frammentazione nuclei proiettile e bersaglio eccitazione/diseccitazione nuclei alcuni decadimenti effetti nucleari che modificano altri tipi di interazione (esempio: n-nucleo) Non potendo la QCD perturbativa trattare la gran parte di questi processi,, la loro modellizzazione fenomenologica: 1) e e tuttora oggetto di ricerca 2) e e soggetta ad errore sistematico (importante) 26 Ottobre 2004 Roma 1 5

6 Necessita di una modellizzazione numerica di questo tipo di processi Comprensione dei fenomeni stessi (vedi il caso delle interazioni nucleari) Analisi dati di un esperimento Capacita progettuale: disegno di un nuovo esperimento/situazione spesso in condizioni dove non esistono ancora dati sperimentali utilizzabili _ estrapolazione (esempio: fisica ad una macchina acceleratrice mai costruita prima con energia mai raggiunta prima) applicazioni dove puo essere importante calcolare (es.: un deposito di energia) una previsione con un livello di dettaglio (fisica medica) rispetto ad un calcolo semplificato di tipo analitico 26 Ottobre 2004 Roma 1 6

7 building blocks Cosa vuol dire modellizzare numericamente Conoscere le sezioni d urto totali (Æcammini liberi medi) Conoscere le sezioni d urto differenziali e saperle utilizzare in termini di distribuzioni di probabilita` Valutare il grado di approssimazione necessario (per quale range di energia,, per quali situazioni al contorno?) Esempio: implementazione effetto LPM in bremsstrahlung Costruire algoritmi efficienti di trasporto che tengano conto correttamente (es.: leggi di conservazione) dei building blocks e delle loro correlazioni 26 Ottobre 2004 Roma 1 7

8 Metodo Monte Carlo Si parte dai numeri pseudo-random generati secondo opportuni algoritmi (fra i migliori: quelli di Marsaglia): sequenza di numeri x uniformemente distribuiti fra 0 e 1 (in genere 1 non e e incluso.. Se serve il contrario: x =1- x) x Uniforme e random sono concetti indipendenti. Talvolta e piu importante l uniformita (se le correlazioni sono sotto controllo ad un basso livello!) Teoremi e tecniche di vario genere permettono di campionare una distribuzione di probabilita a partire da x I primi Monte Carlo furono introdotti come strumento per il calcolo di reattori (Fermi, Ulam,, Von Neumann): fisica nucleare delle basse energie semplici: solo neutroni e gamma (E<20 MeV), 7 coor. spazio-fasi x 2 particelle) le particelle neutre vanno in linea retta! quasi solo calcolo di quantita medie 26 Ottobre 2004 Roma 1 8

9 Monte Carlo per le alte energie Iniziati all origine per problemi di schermature su acceleratori,, poi per dosimetria e-g. La loro complessita e cresciuta nel tempo grazie allo sviluppo dei mezzi di calcolo e hanno influito anche sullo sviluppo dei codici per bassa energia. Servono molte piu particelle molte variabili nello spazio fasi! range di energia molto estesi collisioni con produzione di molte particelle Tracciamento piu difficile de/dx e sue fluttuazioni,, scattering coulombiano, campi magnetici, effetti di step, geometrie complesse Ottobre 2004 Roma 1 9

10 Equivalenza matematica del trasporto con Monte Carlo Dal punto di vista fisico matematico tutti i calcoli di trasporto di particelle sono un tentativo di risolvere l eq. di Boltzmann E una eq. che descrive il bilancio nello spazio delle fasi: : in ogni punto l incremento della densita di particelle e uguale alla somma di tutti i termini di produzione meno quelli di distruzione Produzione: sorgenti, produzione di particelle, decadimenti,,... Distruzione: assorbimento, decadimento, fuoriuscita... Soluzioni di tipo diverso: medie su diverse regioni di spazio fasi, insieme di diversi punti dello spazio fasi, proiezioni su diverse ipersuperfici dello spazio fasi, stazionarie o dipendenti dal tempo Stopping Esempio analitico uni-dimensionale power scattering sorgente Lungh. di decadimento sez, d urto ass. macroscopica 26 Ottobre 2004 Roma 1 10

11 Il metodo Monte Carlo dal punto di vista di un fisico Spesso si dice che il Monte Carlo e e un esperimento matematico. Un MC permette anche esperimenti impossibili selezionare effetti fisici da spegnere utilizzare dei materiali perfettamente assorbenti ecc. L equivalente del risultato finale (l analogo( della misura reale) ) e e un estimatore Come una qualsiasi misura sperimentale e soggetto ad errore statistico e sistematico Le quantita misurate (stimate) possono essere di diversa natura,, ma sono tutte funzioni dello spazio delle fasi Cosi come spesso ci sono diverse tecniche per misurare la stessa quantita fisica, cosi esistono differenti tipi di estimatori per calcolare la stessa quantita I MC non possono simulare una fisica migliore di quella che e stata programmata!! 26 Ottobre 2004 Roma 1 11

12 Ma esistono mondi diversi... In campi come la fisica delle particelle o la fisica medica, si tende a pensare il MC in termini di simulazione: piu che ai valori medi si guarda al singolo evento e/o anche alle correlazioni all interno del singolo evento In altri (es.: per l ingegneria nucleare) ) e e piu visto come un metodo per integrare l eq. di Boltzmann: valore di aspettazione di un numero finito di quantita (integrazione nello spazio delle fasi) Si vorrebbe modellizzare l effetto di tutti i dettagli ( le viti ) serve davvero? 26 Ottobre 2004 Roma 1 12

13 Elementi e struttura di un codice MC Modulo di Input: sorgente,, layout della GEOMETRIA, materiali, settaggi (cutoff energetici), livelli di accuratezza, numero di eventi, inizializzazione random, ecc. Il concetto di Stack banca (in genere dinamica) ) per lo storage delle particelle (tutte le coordinate dello spazio fasi richieste+eventuali flags dell utente utente) Database di fisica files sezioni d urto e altre look-up tables necessarie Modulo di trasporto e gestione della geometria: per ogni particella tutti gli steps dalla nascita alla morte : movimento nello spazio delle fasi, collisioni, chiamate al generatore di fisica, gestione delle frontiere fra diverse regioni della geometria, contributo agli estimatori richiesti Modulo di output: registrazione degli estimatori e delle variabili richieste dall utente 26 Ottobre 2004 Roma 1 13

14 Alcuni dei codici MC di trasporto e interazione piu diffusi EGS (SLAC): solo interazione e-g fine anni 70 inizio anni 80. Scritto in Mortran. Preprocessore per generare files di sezioni d urto per i materiali richiesti. Fisica molto accurata. Uso non facile: effetti di step lasciati alla gestione dell utente GEANT(3): progetto CERN inizio meta anni 80 Primo tentativo di Monte Carlo all purpose a larga diffusione, ma modelli di interazione adronica insufficienti Ha manifestato problemi di accuratezza e precisione 26 Ottobre 2004 Roma 1 14

15 Continua... All-purpose : la continuazione di GEANT-3 (OO) Progetto CERN molto orientato a sviluppo di tipo informatico; ancora in evoluzione Los Alamos: famoso per il trasporto di neutroni esistono anche versioni per alta energia (MCNPX / MCNP5) MARS Fermilab: sostanzialmete rivolto alle interazioni adroniche usato molto in ambiente macchine CORSIKA Ora mantenuto e sviluppato a Karlsruhe. Trasporto + scelta di modelli adronici. Totalmente orientato per fisica dei raggi cosmici All-purpose Progetto condotto da INFN-CERN molto orientato a sviluppo di qualita della modellistica di fisica; sempre in evoluzione (EGS5, Penelope, ) 26 Ottobre 2004 Roma 1 15

16 Il caso di FLUKA Filosofia di sviluppo: -selezionare modelli di alta qualita e precisione -approccio microscopico interazioni adroniche alle -Validazione con un set esteso di dati sperimentali -RIcerca continua del miglioramento dei modelli -Rinuncia a parametrizzazioni approcci semi-analitici -Conservazioni a livello precisione della macchina Distribuito da INFN attraverso la rete della ricerca scientifica italiana (GARR) e della -Uso di file esterni e look-up tables INFN-CERN project 26 Ottobre 2004 Roma 1 16

17 Esempio di contenuti: la fisica di FLUKA Autori: A. Fassò d, A. Ferrari a J. Ranft c, P.R. Sala b a) CERN, b) INFN-Milano, c) Siegen Univ., d) SLAC Interazione h-h e h-n almeno fino TeV Interazioni N-N fino almeno fino TeV/n Interazioni e.m. e di m fino a 2000 TeV Interazioni di n (driver a parte) Trasporto di carichi anche in campo magnetico accuratezzqa de/dx: entro 1/1000 delle tabelle ICRU Tavole Sez. d urto: PDG NNDC ecc. Geometria combinatoria (ma ora anche altre possibilita ) Trasporto e interazione a multigruppo per neutroni 0-20 MeV Generazione e trasporto fotoni ottici (luce Cherenkov, scintillazione, radiazione di transizione) Che significa??? 26 Ottobre 2004 Roma 1 17

18 I modelli adronici: l approccio microscopico Ingredienti di validita generale teoricamente motivati: - Teoria di Regge e dualita (analiticita matrice S) - Espansione Topologica QCD - modello partonico e carica di colore - teorema ottico (connessione fra ampiezza in avanti e sez. d urto totale) Traiettoria di Regge: il Pomerone (numeri quantici del vuoto) Dual Parton Model (Orsay,primi anni 80) (Quark String Model) 26 Ottobre 2004 Roma 1 18

19 Incredibile,, ma ~funziona~ funziona (sopra qualche GeV) e a energia piu bassa?? (risonanze, isospin, spazio fasi, cascata intranucleare + effetti nucleari quantistici, ) pochi parametri... Ma il confronto con i dati sperimentali resta fondamentale!!! Da h-n a h-n Con l espansione di Glauber (FLUKA model) 26 Ottobre 2004 Roma 1 19

20 PEANUT (PreEquilibrium Approach to NUclear Thermalization) a 3 step model: 1. Generalized Intranuclear Cascade 2. "PreEquilibrium" 3. Evaporation/Fission or Fermi Break-up (production of residual nuclear fragments, de-excitation, etc.) Quantum effects: Fermi motion, Pauli blocking, formation zone, etc. particle trajectories inside nucleus bent by local field 26 Ottobre 2004 Roma 1 20

21 Un esempio di evento di interazione adronica (simulazione di ICARUS, FLUKA) 65 cm p Æ K + n e K+ Evento vero µ+ P = 425 MeV 26 Ottobre 2004 Roma 1 21 e+

22 Un aspetto critico: la trattazione della Geometria FLUKA: geometria combinatoria (Oak Ridge): combinazione booleana di corpi geometrici elementari (cilindri, piani, parallelepipedi, sfere, ecc.) per definire regioni di spazio a cui assegnare materiali Uno degli aspetti piu critici dal punto di vista della complessita algoritmica e la trattazione dei confini fra regioni e la gestione automatica dello step del trasporto in prossimita delle superfici di separazione (uno dei meriti di FLUKA) CERN-Gran Sasso project: beam tunnel at CERN, FLUKA geometry (H.Vincke) 26 Ottobre 2004 Roma 1 22

23 Applicazioni MC in Ricerca di Base Fisica delle Alte Energie Macchine acceleratrici (schermature, collimazioni, targhette, ecc) Esperimenti su acceleratore Fisica delle particelle passiva fisica dei raggi cosmici fisica del neutrino atmosferico ricerca di eventi rari nella radiazione cosmica Ottobre 2004 Roma 1 23

24 Large Hadron Sin dai primi anni 90 questo progetto ha richiesto lo sviluppo di modelli sempre piu affidabili! 26 Ottobre 2004 Roma 1 24

25 La simulazione di alcuni aspetti della macchina A. Ferrari, V. Vlachoudis Collimazione Beam dump targhette ecc Quadrupolo Caldo Dipolo freddo (simulazioni FLUKA) 26 Ottobre 2004 Roma 1 25

26 Simulazione dei rivelatori a LHC Simulazione GEANT4 dell esp. ATLAS Risposta dei rivelatori, determinazione dell accettanza dell apparato Combinazione complessa di geometrie e materiali. Quanto dettaglio e necessario simulare? 26 Ottobre 2004 Roma 1 26

27 Gestione della simulazione di eventi di fisica Generatore di eventi: Spesso sono pacchetti separati SImulazione dell apparato QCD non pert. LHC: minimum bias generatori di canali specifici: fisica ad alto p t (QCD perturb.) p p Æ n jets p p Æ H Æ g g p p Æ H Æ m m m m ecc. Sviluppati soprattutto da gruppi teorici 26 Ottobre 2004 Roma 1 27

28 Un evento simulato in ATLAS 26 Ottobre 2004 Roma 1 28

29 ATLAS: Benchmark Measuring Problemi nuovi da affrontare su questi esperimenti A.Ferrari, P.Sala ATLAS: il livello fondo di radiazione negli apparati Benchmark for ATLAS background: E.Gschwendtner, C.W.Fabjan, N.Hessey,, T.Otto, and H.Vincke, Measuring the photon background in the LHC experimental experiment, Nucl. Instr. Meth.. A476, 222 (2002) background di fotoni background di neutroni Goal: prevedere gli effetti di danno da radiazione! progettare soluzioni resistenti Simulazione FLUKA con tecniche di Riduzione di Varianza Cosa vuol dire? 26 Ottobre 2004 Roma 1 29

30 Un commento generale (vale per ~tutti~ i campi di applicazione sperimentali!!) La qualita della modellizzazione negli MC degli effetti strumentali (esempio: raccolta di luce, raccolta di carica, efficienze, attenuazione dei segnali di corrente, ecc.) ) a questo livello puo contare quanto e piu della qualita della fisica Questo aspetto e lasciato agli utenti piu che agli autori principali dei codici. Importanza di una buona cultura sui rivelatori/strumenti insieme al senso fisico!! Essere bravi in code management non e sufficiente 26 Ottobre 2004 Roma 1 30

31 Un caso in cui senza MC non si va avanti: : i fasci di n Esempio: fascio dal CERN al Gran Sasso (CNGS) Simulazione FLUKA: includes tutti i dettagli di transporto, interazione, struttura della targetta, focheggiamento, decadimento, ecc. A.Ferrari, P.Sala, A.Guglielmi Calcolo degli spettri di neutrino al Gran Sasso La qualita della predizione dipende dall accuratezza in fisica adronica! Misure su fasci precedenti indicano 3-5 % di errore su n e -n m 26 Ottobre 2004 Roma 1 31

32 Applicazioni in Fisica dei Raggi Cosmici Obiettivo: studio dello spettro e della composizione in massa dei R.C. fiper rispondere a domande di natura astrofisica MC diventa strumento essenziale di analisi specialmente per il campo delle misure indirette Un vasto e continuo range di energie: Proiettili nucleari 26 Ottobre 2004 Roma 1 32

33 Gli sciami di particelle in atmosfera Atmosfera come Calorimetro adronico : ~10 l (composizione omogenea ma densità variabile) 26 Ottobre 2004 Roma 1 33

34 Un caso particolare di grande interesse fondamentale: : i neutrini atmosferici 26 Ottobre 2004 Roma 1 34

35 Esempio di calcolo di flussi di n Risultati di SuperKamiokande 26 Ottobre 2004 Roma 1 35

36 Gli aspetti critici di calcolo MC nell analisi dei neutrini atmosferici L analisi procede dal confronto dati vs. aspettazione (MC) a livello di errori sistematici,, le incertezze teoriche maggiori vengono da 2 aspetti che oggi qualificano i calcoli MC: Errore sui flussi Incertezza sulla conoscenza del flusso primario incertezze sulla produzione di particelle in inter. adroniche Errore sulle sezioni d urto di neutrino Sostanzialmente: scarsa conoscenza degli effetti nucleari a bassa energia Una delle domande per il prossimo futuro: conosciamo il rapporto aspettato n e /n m all 1%? 26 Ottobre 2004 Roma 1 36

37 MACRO Gallex Borexino LVD ICARUS Usano o hanno usato in parte FLUKA 26 Ottobre 2004 Roma 1 37

38 La fisica dei Muoni Sotterranei R.C. Primario protone/nucleo: A,E,isotropo Decadimento prompt dei mesoni charmati Distr. angolare isotropica interaction adronica: produzione di molte particelle s(a,e), dn/dx(a,e) K p Decadimento (ordinario) dei mesoni: dn m /d cosq ~ 1/ cosq m m m p + nuclei He,..., Fe con energia nel lab. da 1 TeV/nucleone fino ad oltre >10000 TeV/nucleone Dimesione trasversa del fascio di m µ P t (A,E) Propagazione dei m nella roccia (TeV) : processi radiativi e loro fluttuazioni Rivelazione: N m (A,E), dn m /dr 26 Ottobre 2004 Roma 1 38

39 n m HEMAS MC C.Forti et al. (1990) + muon propag. (Lipari & Stanev) Monte Carlo dependent (mostly in the hadronic interaction model) 26 Ottobre 2004 Roma 1 39

40 Simulazione di muoni sotterranei in ICARUS (FLUKA) 26 Ottobre 2004 Roma 1 40

41 Fisica di frontiera nei Raggi Cosmici: le energie estreme Esistono r.c. sopra i ev??? Da dove arrivano? Cosa sono? 2 arrays giganti per Sciami Estesi Atmosferici Sud Argentina in construzione 1600 rivelatori di particelle su oltre 3000 km2 + 4 Rivelatori di Fluorescenza 26 Ottobre 2004 Roma 1 41

42 Il problema dei modelli adronici alle altissime energie Come combinare nel modo corretto QCD perturbativa e il settore non perturbativo? Modelli di interazione contenuti in CORSIKA <N ch > 26 Ottobre 2004 Roma 1 42

43 Effetto di possibili scelte diverse sul risultato finale 26 Ottobre 2004 Roma 1 43

44 Radiation Inventory Altre applicazioni di MC oltre la ricerca di base Energetica: : Accelerator Driven Systems Studio degli effetti delle radiazioni ionizzanti: Dosimetria e Radioprotezione esposizione in generale dosi in aviazione civile radioprotezione nello spazio Microdosimetria _ Radiobiologia Fisica medica 26 Ottobre 2004 Roma 1 44

45 back 26 Ottobre 2004 Roma 1 45

46 Nuclei residui (uno dei problemi di calcolo piu difficili...) Decommissioning di LEP Modello tipo Fermi Break-up, fissione, ecc. Dati vs Simulazione: miglioramento continuo del modello A. Ferrari, S. Roesler 26 Ottobre 2004 Roma 1 46

47 Parliamo delle grandezze misurabili con un esperimento Monte Carlo Cominiciamo a defininire la FLUENZA: F = f = dn da ^ df dt (da non confondersi con il FLUSSO!!: ) E Siccome f = n v = dn da cosj n v é il numero di particelle per un. di volume é la loro velocita (track-length per un. di tempo) La FLUENZA é equivalente alla somma di tutte le lung. di traccia in un volume dv ICRU 60: df dedwdt é la Madre di tutte le quantità spazio fasi!!! (cm -2 s -1 sr -1 GeV -1 ) 26 Ottobre 2004 Roma 1 47

48 Nella maggior parte dei casi vogliamo calcolare la FLUENZA perché in genere é proporzionale agli effetti di interesse Dose Dose equiv. Ú Ú E E F E S( E) de [ S( E) = de /( rdx)] F E C( E) de [ C( E) = coeff. di conversione] Attività indotta ( rn / A) F s( E) de [ s( E) sez. d' urto] Ú A E = E Risposta di un rivelatore, Danno da Radiazione ecc. Ú E F E R( E) de [ R( E) = funzione di risposta] 26 Ottobre 2004 Roma 1 48

49 Dosimetria e valutazione del danno biologico: l uso di un fantoccio matematico M.Pelliccioni realizzato in FLUKA con geometria combinatoria 26 Ottobre 2004 Roma 1 49

50 Modellizzazione di un nuovo fantoccio e introduzione di un nuovo tipo di Geometria in FLUKA (Zankl and Wittmann 2001, GSF) 26 Ottobre 2004 Roma 1 50

51 Applicazione della Dosimetria: calcolo delle dosi in aviazione civile M.Pelliccioni, S.Villari Cockpit Toilet or Galley AIRBUS 340 Wing fuel tank Business Class Economic Class Center fuel tank Hold 26 Ottobre 2004 Roma 1 51

52 Problema connesso alla fisica dei raggi cosmici Problema chiave: neutroni ad alta quota A.Ferrari S.Roesler 26 Ottobre 2004 Roma 1 52

53 Biofisica delle radiazioni: Meccanismi d azione delle radiazioni ionizzanti a livello molecolare e cellulare Esempio di applicazione (I): l adroterapia Esempio di applicazione (II): la radioprotezione nello spazio 26 Ottobre 2004 Roma 1 53

54 1 Gy g-rays in one nucleus Irradiation ª Ionisations ª 2000 Ion. in DNA ª 1000 single strand breaks ª 40 double strand breaks ª complex lesions ª Chrom. Ab. ª lethal events ª 10-5 HPRT mut. ª 10-5 neopl. trasf.?????????? BY-STANDER EFFECTS??????????? Primary interaction events Biological molecules Dissociation: production of water radicals Diffusion Cross sections Dissociation schemes Diffusion coefficients years << 10-5 cancers Damage at organ and organism levels 26 Ottobre 2004 Roma 1 54 Water Excitation and ionisation Damage to DNA and other molecules DNA breaks Chromosome aberrations Damage at cell level s s 10-6 s minutes hours Reaction rate constants ª2 nm Physics & Biochemistry Chemistry chemistry Physics Biology Medicine

55 Aberrazioni Cromosomiche da radiazioni ionizzanti Codici MC accoppiati a dati radiobiologici e/o programmi di calcolo specializzati possono servire per valutazione del rischio: Probabilità di Lesioni Complesse => Aberrazioni Cromosomiche => Rischio 26 Ottobre 2004 Roma 1 55

56 Dal danno del DNA all inattivazione delle Cellule Condizione di campi misti: fascio di protoni terapeutico A. Ottolenghi et al. Geometria dell unita terapeutica OPTIS OCCHIO Fascio 72 MeV protoni Obiettivi Lesioni Complesse in funzione del LET e del tipo di particella FLUKA (modificato) 26 Ottobre 2004 Biaggi Roma et al 1 NIM-B, 1999, 159, FISICA fi yields of CL/(Gy cellula) indotti da differenti tipi di radiazione EFFETTI BIOLOGICI fi distribuzione spaziale di CL/cellula (dose biologica ) Prediz. Teoriche Dati Sperimentali

57 Esempio di applicazione (I): l adroterapia Lo scopo della radioterapia nella cura dei tumori è la distruzione delle cellule neoplastiche nel volume irraggiato riducendo al minimo il rischio di danno ai tessuti sani. 26 Ottobre 2004 Roma 1 57

58 radioterapia tradizionale radioisotopi (decadimenti a, b, g ) cobalto-terapia 60 Co : g (1.36 e 1.17 MeV) brachi-terapia fasci di elettroni (acceleratori di particelle ) fasci raggi X, gamma adroterapia costituenti di nuclei e nuclei (ioni) (acceleratori di particelle ) (acceleratori di particelle ) protoni neutroni(bnct) ioni Boron Neutron Capture Therapy 26 Ottobre 2004 Roma 1 58

59 Cura del tumore della retina con fasci di protoni 4500 MeV CARBON DOSE RELATIVA PROFONDITÀ [cm] (PSI Villigen) Progetto CATANA: Lab. Nazionali del Sud dell INFN 26 Ottobre 2004 Roma 1 59

60 L uso di fasci di ioni per terapia From NASA SPP 26 Ottobre 2004 Roma 1 60

61 CONFRONTO PROTONI IONI CARBONIO proton 1.6 MeV Range = 0.05 mm 4000 simulazione con protoni 2 nm DNA x(å) 2000 Sfide: 1) Avere una dettagliata descrizione della deposizione di energia lungo la traccia 2) Prodotti e frammenti nucleari simulazione con ioni Carbonio 0 LET=19.8 kev/ micron z(å) Carbon 30 MeV Range = 0.05 mm DNA x(å) nm 4000 LET=449 kev/ micron 26 Ottobre 2004 Roma z(å)

62 Luna Esempio di applicazione (II): la radioprotezione nello spazio A.Ottolenghi, F.Ballarini et al. ISS Marte?? MIR station Collaborazioni: FLUKA con NASA, ESA con GEANT4, ecc. motivano anche lo sviluppo dei modelli: es.: interazioni nucleo-nucleo a bassa energia Approccio in corso: Quantum Molecular Dynamics 26 Ottobre 2004 Roma 1 62

63 Modelli QMD Lo stato fondamentale nucleare descritto da una configurazione di nucleoni Ogni nucleone descritto da una funz. d onda gaussiana: moto di Fermi nel potenziale degli altri nucleoni Urto: : 2 nuclei si muovono evolvendosi con le eq. classiche di Hamilton. Quando i nucleoni si avvicinano sentono l effetto di un potenziale globale che influenza le collisioni (Skyrme, termini di superficie e di simmetria) Effetti stocastici introdotti da MC Si cercano le configurazioni di nuclei stabili: stato finale Problema computeristico: inizializzazione, rispetto dei principi base (Pauli( Pauli, ecc.) back 26 Ottobre 2004 Roma 1 63

64 Raggi Cosmici Galattici spettro: 87% protoni, 12% ioni He, 1% ions piu pesanti (in fluence) con picco a ~1 GeV/n flusso: ~4 particelle/(cm 2 s) al minimo solare. dose: ~1 msv/giorno Solar Particle Events spettro: 90% protoni, 10% ioni piu pesanti con energia per lo piu sotto ~200 MeV flusso: fino ~10 10 particles/cm 2 in qualche ora. dose: ordine dei Sv, fortemente dipendente dalla schermatura e dall organo colpito NASA pub NASA pub Ottobre 2004 Roma 1 64

65 SPE dell agosto 1972: pelle e organi interni (FLUKA) Dose equivalente alla pelle (Sv) Al thickness (g/cm 2 ) Total Primary Protons Secondary Hadrons Dose equivalente al fegato (Sv) Total Al thickness (g/cm 2 ) Primary Protons Secondary Hadrons molta meno dose al fegato che alla pelle (1.0 vs Sv dietro 1 g/cm 2 Al ) un contributo relativo piu grande dai frammenti di reazione nucleare products per il fegato piuttosto che per la pelle (14% vs. 7% dietro 1 g/cm 2 Al) 26 Ottobre 2004 Roma 1 65

66 mgy*d Raggi Cosmici Galattici: pelle e organi interni (FLUKA) Pelle mgy*d Fegato Al thickness (g*cm -2 ) 2 Al thickness (g*cm -2 ) msv*d -1 Total Primary Ions Secondary Hadrons Electromagnetic msv*d -1 Total Primary Ions Secondary Hadrons Electromagnetic Al thickness (g*cm -2 ) Al thickness (g*cm -2 ) Total Primary Ions Secondary Hadrons Electromagnetic Total Primary Ions Secondary Hadrons Electromagnetic Rispetto alla pelle, gli organi interni hanno: 1) una dose simile (~0.5 mgy/day) ma una piu piccola dose equivalente (~ 1.3 vs. 1.7 msv/day); 2) un contributo relativo piu grande dai frammenti di reazioni nucleari 26 Ottobre 2004 Roma 1 66

67 MARIE su Marte April 7 th, Ottobre 2004 Roma 1 67

68 Qualita della fisica, necessita algoritmiche e tendenze informatiche A volte l ottimizzazione della computing performance non si accorda con il requisito di modelli di alta qualità (anche se la potenza di calcolo é un problema in diminuzione...) Il punto cruciale é la costruzione di algoritmi robusti (e smart) Esperienza: rispettare conservazioni/simmetrie (E,Q,J, ) é già una garanzia non banale Modellizzazione: non é una questione di linguaggio di programmazione,, ma molto spesso di capacità di programmazione (e conoscenze di analisi numerica). In questa logica (procedurale)) Fortran o C possono essere meglio del C++ Negli ultimi anni si evidenzia molto la necessita di modalità object oriented : : in realtà e di poca o nulla utilità nel number crunching, di grande utilità invece per management di strutture di dati e per la creazione di tools grafici (es.: costruzione geometria, ecc.): il problema delle interfacce utente 26 Ottobre 2004 Roma 1 68

69 Strumenti di analisi ROOT-Based per FLUKA back 26 Ottobre 2004 Roma 1 69

70 Sfide future: Algoritmi Automatici per assegnare materiali e composizioni ai CT-Scans ( ben noto problema di patter recognition) Assignare ai Voxel dei materiali con il Golem Produrre un algoritmo che identifichi 4 tipi di materiali negli scan CT umani: Generico Tessuto Soffice, Hard Bone, Trabecular Bone, e tessuto Polmonare. 26 Ottobre 2004 Roma 1 70

71 Osso Trabecolare ~10% Voxels sono Hard Bone (r ~ 1.9) ~90% é midollo C é un`asimmetria lungo l asse longitudinale dell osso Dati da Voxel CT-Scans da 40 mm (M. Leibschner) Human bone is L osso umano` é per la maggior parte Trabecolare, con un guscio di ~1-2 mm di Hard Bone. back 26 Ottobre 2004 Roma 1 71

72 A classical transport MC application Experiment/MC tailored application back GENERATE Generator s DETECTOR & PHYSICS DESCRIPTION Geometry definition Physics processes User application Run configuration Magnetic field Cuts Step interpreter Application stack ADVERTISE STEP PUSH PRIMARIES INPUT Particle stack POP Run manager Run loop Event loop Stepping manager State & tracking flags Current volume, material, Track state: entering, exiting, alive, new, Physical process type PUSH SECONDARIES GEOMETRY CREATION Physics models PROCESS SELECTION & PHYSICAL STEP STEPING ACTIONS Hits generation Digitization Application area OUTPUT NAVIGATION QUERIES/ANSWERS Geometrical modeller MC area 26 Ottobre 2004 Roma 1 72

73 back 26 Ottobre 2004 Roma 1 73

74 Conclusioni Il calcolo di trasporto e interazione di particelle nella materia e diventato un aspetto importante dell attivita attivita di ricerca in molti campi di fisica La necessita di provvedere strumenti per attivita multi- disciplinare sta comportando la necessita di coagulo di diverse competenze, storicamente separate La fisica delle interazioni fondamentali sta trovando delle applicazioni pratiche anche di immediata rilevanza sociale E importante negli sviluppi futuri non dimenticare l importanza della qualita algoritmica e di modellizzazione della fisica C e un certo rischio (specie per i giovani adepti) di concentrarsi troppo su aspetti utilissimi (ma non centrali) di carattere puramente informatico. 26 Ottobre 2004 Roma 1 74

75 Ringraziamenti a: F.Cerutti,, E. Gadioli, M.V.Garzelli,, P. Sala (INFN Milano) A.Guglielmi (INFN Padova) F.Ballarini, A.Ottolenghi (INFN e Univ. Pavia) A.Fassò (SLAC, USA) M.Carboni, M. Pelliccioni, (INFN LNF) R.Villari (ENEA Frascati) J.Ranft (Univ. Siegen, Germania) A.Ferrari, S.Roesler,, V. Vlachoudis (CERN) L. Pinsky (Univ. Houston, USA) R.Engel (IFZ Karlsruhe, Germania) 26 Ottobre 2004 Roma 1

76 Referenze utili Il significato matematico dei MC di trasporto: C.Jacoboni, L.Reggiani,, Rev. Mod. Phys. 55 no.3 (1983) Generali I.Lux, L.Koblinger: : Monte Carlo Particle Transport Methods: Neutrons and Photons, CRC Press 1991 Proceedings delle conferenze: ICRS (ultima( ultima: : Madeira 2004) Monte Carlo (ultima( Lisbona 2000) Teoremi e applicazioni per il campionamento di funzioni: A Third Monte Carlo Sampler LA-9721-MS (1983) Interazioni nucleari a energia alta e intermedia (modelli modelli di FLUKA) A. Ferrari, P. Sala,, Proc. Workshop on Nuclear Reaction Data and Nuclear Reactors Physics, Design and Safety, ICTP, Trieste 1996 Applicazioni radiobiologiche (ruolo del MC): A.Ottolenghi, F.Ballarini, M.Biaggi Physica Medica Vol. XVII, Suppl 2, 2001 Applicazioni dosimetria/spaziali: Proceedings COSPAR (ultima( Parigi 2004) 26 Ottobre 2004 Roma 1