DALLA RICERCA FONDAMENTALE NEL CAMPO DELLA FISICA DELLE ALTE ENERGIE ALLE APPLICAZIONI PER LA CURA DEI TUMORI

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1 DALLA RICERCA FONDAMENTALE NEL CAMPO DELLA FISICA DELLE ALTE ENERGIE ALLE APPLICAZIONI PER LA CURA DEI TUMORI Ugo Amaldi Università di Milano Bicocca e Fondazione TERA AIFI UA 1

2 Acceleratori di particelle per capire il mondo fisico AIFI UA 2

3 PS SPS LEP/LHC Vista aerea del CERN AIFI UA 3

4 1930: invenzione dell acceleratore circolare chiamato ciclotrone Traiettoria a spirale di una particella accelerata Ernest Lawrence Ciclotrone moderno: protoni da 30 MeV 1 MeV = 1 milione di elettronvolt AIFI UA 4

5 L invenzione del sincrotrone venne nel 1945 Campo magnetico verticale Traiettoria circolare di una particella accelerata Elettroni da 1'000 MeV Frascati AIFI UA 5

6 e nel 1947 fu inventato il linac per elettroni William W. Hansen Primo linac per elettroni 4.5 MeV AIFI UA 6

7 Gli acceleratori del CERN sono linac e sincrotroni usati come collisori 8.5 km AIFI UA 7

8 Gli acceleratori del CERN sono linac e sincrotroni usati come collisori 8.5 km LHC nel 2008 = Large Hadron Collider MeV MeV AIFI UA 8 PS nel MeV

9 Perché acceleriamo le particelle e le facciamo collidere? per andare indietro nel tempo AIFI UA 9

10 La storia dell Universo è iniziata con il Big Bang Viviamo 14 miliardi di anni Dopo Big Bang Ora l Universo è freddo: la temperatura dello spazio cosmico è 270 degrees sotto zero = 3 kelvin AIFI UA 10

11 Un miliardo di anni fa esistevano già le galassie Le galassie sono fatte di 92 tipi di atomi dall idrogeno all uranio a2 Un nucleoèfattodi protoni e neutroni La temperatura dello spazio cosmico era più alta di 15 gradi AIFI UA 11

12 Slide 11 a2 amaldi, 18-Sep-04

13 anni dal Big Bang l Universo era 1000 volte più piccolo L Universo era semplice, fatto di Fotoni di luce e praticamente soltanto idrogeno ed elio photon La temperatura era di 6000 gradi e gli atomi collidevano perdendo elettroni AIFI UA 12

14 Una foto dell Universo di dopo il Big Bang I puntini blu erano più freddi: semi delle galassie AIFI UA 13

15 Perchè la fisica delle alte energia con acceleratori? Con gli strumenti puntati verso il cielo non potremo mai vedere cosa successe prima di anni dal Big Bang Cosa fare? AIFI UA 14

16 Perchè la fisica delle alte energia con acceleratori? Con gli strumenti puntati verso il cielo non potremo mai vedere cosa successe prima di gradi Cosa fare? Studiare le particelle e le reazioni che accadevano nella zuppa primordiale e costruite MODELLI che giustifichino lo stato dell Universo a anni AIFI UA 15

17 Storia del nostro Universo Universo in espansione Siamo qui dopo 14 miliardi di anni Raggio dell Universo visiboile L H C LEP sec Zuppa degli atomi più semplici 400,000 Years 400,000 anni 1 miliardo di anni età dell Universo AIFI UA 16

18 Temperatura T più alta vuol dire energia E maggiore negli urti: 1 MeV corrisponde a 10 miliardi di gradi A temperature sempre maggiori si creano particelle di massa crescente, che poi o decadono o annichilano: La zuppa primordiale diventa più ricca all aumentare della temperatura AIFI UA 17

19 Storia del nostro Universo L Universo era opaco Siamo qui dopo 14 miliardi di anni Universo in espansione Raggio dell Universo visiboile LEP sec Zuppa degli atomi più semplici 400,000 Years anni 1 miliardo di anni età dell Universo AIFI UA 18

20 Un milione di miliardi di gradi K Modelli basati sulla fisica particellare Storia del nostro Universo Universo in espansione Siamo qui dopo 14 miliardi di anni Raggio dell Universo visiboile LEP sec Zuppa degli atomi più semplici 400,000 Years anni 1 miliardo di anni età dell Universo AIFI UA 19

21 I collisori e i grandi rivelatori AIFI UA 20

22 Geneva CERN DELPHI L3 OPAL ALEPH Il tunnel del LEP è stato costruito 100 metri sottoterra Ora vi si trova lo LHC AIFI UA 21

23 LEP = Large Electron-Positron collider DELPHI Annichilazioni elettrone-antielettrone a MeV AIFI UA 22

24 Un rivelatore LEP e 2 eventi DELPHI detector primo evento 1989 AIFI UA 23

25 Un rivelatore LEP e 2 eventi I MeV si trasformano in particelle che esistevano un decimo di miliardesimo di secondo (10-10 s) dopo il Big Bang. DELPHI detector primo evento 1989 AIFI UA 24

26 Le principali lezioni di 60 anni di fisica delle particelle AIFI UA 25

27 Primo: elettroni e quark sono ione elio = 2 p + 2n particelle-materia fondamentali neutrone proton protone neutron AIFI UA 26

28 Primo: elettroni e quark sono ione elio = 2 p + 2n particelle-materia fondamentali neutrone proton protone neutron Per ogni particella-materia esiste una antiparticella Sono create in coppia e si annichilano in coppia AIFI UA 27

29 Tutti i nuclei sono fatti di quark: sono adroni ione elio = 2 p + 2n proton neutron ione idrogeno = protone ione carbonio = 6 p + 6 n AIFI UA 28

30 Azione a distanza è misteriosa e - = elettrone e - = elettrone Diffusione di due particelle-materia AIFI UA 29

31 Il fotone γ è il mediatore della forza elettromagnetica e - e - e - elettrone = particella-materia fotone DIFFUSIONE pacchetto di energia em = γ e - = particella-forza AIFI UA 30

32 Ogni forza fondamentale ha i suoi mediatori forza forte lega i quarks forza elettromagnetica lega gli elettroni AIFI UA 31

33 Each of the four forces has its force-particles forza forte lega i quarks forza elettromagnetica lega gli elettroni esempio forza debole causa n p + e + neutrino force gravitazionale lega i pianeti AIFI UA 32

34 Secondo risultato: esistono the gruppi di particelle-forza 1 fotone 3 bosoni intermedi 8 gluoni 12 particelle-forza AIFI UA 33

35 Il Modello Standard Model confermato al LEP è elegante 12 particelle-materia 12 particelle-forza AIFI UA 34

36 The Standard Model confirmed at LEP is elegant 12 matter-particles 12 force-particles MA le particelle-forza e le particelle-materia sono completamente scorrelate AIFI UA 35

37 Prossima frontiera: : la SuperSymmetria = SUSY Le masse delle ipotizzate particelle supersimmetriche sono così grandi che non potevamo crearle al LEP AIFI UA 36

38 Speriamo che alcune superparticelle siano create al Large Hadron Collider LHC ATLAS a LHC protone MeV protone MeV AIFI UA 37

39 Speriamo che alcune superparticelle siano create al Large Hadron Collider LHC LHC inizierà nel 2008 riproducendo le condizioni che esistevano un millesimo di miliardesimo di secondo (10-12 s) dopo il Big Bang ATLAS a LHC protone MeV protone MeV AIFI UA 38

40 Un milione di miliardi di gradi K Modelli basati sulla fisica particellare Universo in espansione Siamo qui dopo 14 miliardi di anni Raggio dell Universo visiboile L H C LEP sec Zuppa degli atomi più semplici 400,000 Years anni 1 miliardo di anni età dell Universo AIFI UA 39

41 Gli acceleratori nella lotta contro il cancro AIFI UA 40

42 La radioterapia con raggi X usa acceleratori di elettroni e - + bersaglio X 1 linac X for 250'000 people tumour Elettroni da 5-20 MeV Su 10 milioni di abitanti : 40'000 tumori all anno 20'000 trattati con raggi X 50% dei tumori sono curati e 40% di quelli curati sono stati itradiati AIFI UA 41

43 Ma la dose data dai raggi X non è ideale Photons Raggi X 100% della dose Bersaglio tumorale AIFI UA 42

44 I protoni e gli ioni carbonio risparmiano i tessuti sani 200 MeV: protoni 27 cm Bersaglio tumorale 4800 MeV: ioni carbonio che controllano I tumori radioresistenti Fascio di adroni carichi che penetra nella materia raggi X Photons protoni o Protons ioni carbonio AIFI UA 43

45 I protoni hanno stesso effetto dei raggi X ma sono più concentrati 9 fasci di raggi X 4 fasci di protoni PSI AIFI UA 44

46 I fasci di ioni carbonio hanno effetto qualitativamente diversi 9 fasci di raggi X 4 fasci di protoni PSI Uno ione carbonio deposita in una cellula 24 volte piu energia di un protone producendo danni multipli e vicini alla doppia elica del DNA che non sono riparabili: gli ioni carbonio possono controllare I tumori radioresistenti AIFI UA 45

47 First important results obtained with protontherapy 100% 98% Condrosarcomas, protons 70% Control (%) Cordomas, protons <35% conventional RT 5 years 10 years 15 years AIFI UA 46

48 The site treated with hadrons In the world protontherapy: 50' patients carbon ion therapy patients In Japan and GSI - Darmstadt AIFI UA 47

49 Numbers of potential patients (*) X-ray therapy every 10 million inhabitants: 20' pts/year Protontherapy 12% of X-ray patients 2'400 pts/year Therapy with Carbon ions for radio-resistant resistant tumour 3% of X-ray patients 600 pts/year TOTAL every 10 M about 3'000 pts/year (*) Combining studies made in Austria, Germany, France, Italy and Sweden - ENLIGHT AIFI UA 48

50 Particle accelerators for hadron therapy AIFI UA 49

51 The accelerators used today in hadron therapy are circular CYCLOTRONS (Normal or SC) Therapy with protons: MeV SYNCHROTRONS OR 6-9 metres 4-5 metres SYNCHROTRONS Therapy with carbon ions: MeV metres AIFI UA 50

52 Cyclotron solution for protons by IBA - Belgium Rotating gantry IBA Five companies offer turn-key centres for M. If proton accelerators would be small and cheap, no radiotherapist would use X rays. AIFI UA 51

53 Protontherapy is booming 45,000 40,000 40,000 patients > patients , ,000 PT center under operation 25,000 20, PT centers , , , AIFI UA 52

54 CNAO = Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica TERA Foundation created in 1992 for carbon ions TERA promoted at CERN PIMMS = Proton and Ion Medical Machine Study ( ) and designed PIMM/TERA for the CNAO Foundation created in 2001 AIFI UA 53

55 CNAO = Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica for carbon ions TERA Foundation created in 1992 TERA promoted at CERN PIMMS = Proton and Ion Medical Machine Study ( ) and designed PIMM/TERA for the CNAO Foundation created in 2001 Hospital building AIFI UA High-tech building President: E. Borloni - Technical Dir.: S. Rossi - Medical Dir.: R. Orecchia 54

56 Status of CNAO in September 2007 Hospital building AIFI UA 55

57 Status of CNAO in November 2007 AIFI UA 56

58 The synchrotron area Proton and carbon ion sources First beam foreseen in summer 2008 In 2011 : more than patients/year AIFI UA 57

59 Conclusione LA FISICA È BELLA E UTILE AIFI UA 58

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