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

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 - 6.12.07 - UA 1

Acceleratori di particelle per capire il mondo fisico AIFI - 6.12.07 - UA 2

PS SPS LEP/LHC Vista aerea del CERN AIFI - 6.12.07 - UA 3

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 - 6.12.07 - UA 4

L invenzione del sincrotrone venne nel 1945 Campo magnetico verticale Traiettoria circolare di una particella accelerata Elettroni da 1'000 MeV Frascati - 1959 AIFI - 6.12.07 - UA 5

e nel 1947 fu inventato il linac per elettroni William W. Hansen Primo linac per elettroni 4.5 MeV AIFI - 6.12.07 - UA 6

Gli acceleratori del CERN sono linac e sincrotroni usati come collisori 8.5 km AIFI - 6.12.07 - UA 7

Gli acceleratori del CERN sono linac e sincrotroni usati come collisori 8.5 km LHC nel 2008 = Large Hadron Collider 7 000 000 MeV + 7 000 000 MeV AIFI - 6.12.07 - UA 8 PS nel 1959 25 000 MeV

Perché acceleriamo le particelle e le facciamo collidere? per andare indietro nel tempo AIFI - 6.12.07 - UA 9

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 - 6.12.07 - UA 10

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 - 6.12.07 - UA 11

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400 000 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 - 6.12.07 - UA 12

Una foto dell Universo di 400 000 dopo il Big Bang I puntini blu erano più freddi: semi delle galassie AIFI - 6.12.07 - UA 13

Perchè la fisica delle alte energia con acceleratori? Con gli strumenti puntati verso il cielo non potremo mai vedere cosa successe prima di 400 000 anni dal Big Bang Cosa fare? AIFI - 6.12.07 - UA 14

Perchè la fisica delle alte energia con acceleratori? Con gli strumenti puntati verso il cielo non potremo mai vedere cosa successe prima di 400 000 gradi Cosa fare? Studiare le particelle e le reazioni che accadevano nella zuppa primordiale e costruite MODELLI che giustifichino lo stato dell Universo a 400 000 anni AIFI - 6.12.07 - UA 15

Storia del nostro Universo Universo in espansione Siamo qui dopo 14 miliardi di anni Raggio dell Universo visiboile L H C LEP 10-10 sec Zuppa degli atomi più semplici 400,000 Years 400,000 anni 1 miliardo di anni età dell Universo AIFI - 6.12.07 - UA 16

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 - 6.12.07 - UA 17

Storia del nostro Universo L Universo era opaco Siamo qui dopo 14 miliardi di anni Universo in espansione Raggio dell Universo visiboile LEP 10-10 sec Zuppa degli atomi più semplici 400,000 Years anni 1 miliardo di anni età dell Universo AIFI - 6.12.07 - UA 18

Un milione di miliardi di gradi 10 15 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 10-10 sec Zuppa degli atomi più semplici 400,000 Years anni 1 miliardo di anni età dell Universo AIFI - 6.12.07 - UA 19

I collisori e i grandi rivelatori AIFI - 6.12.07 - UA 20

Geneva CERN DELPHI L3 OPAL ALEPH Il tunnel del LEP è stato costruito 100 metri sottoterra Ora vi si trova lo LHC AIFI - 6.12.07 - UA 21

LEP = Large Electron-Positron collider 1990-2000 DELPHI Annichilazioni elettrone-antielettrone a 200 000 MeV AIFI - 6.12.07 - UA 22

Un rivelatore LEP e 2 eventi DELPHI detector primo evento 1989 AIFI - 6.12.07 - UA 23

Un rivelatore LEP e 2 eventi I 200 000 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 - 6.12.07 - UA 24

Le principali lezioni di 60 anni di fisica delle particelle AIFI - 6.12.07 - UA 25

Primo: elettroni e quark sono ione elio = 2 p + 2n particelle-materia fondamentali neutrone proton protone neutron AIFI - 6.12.07 - UA 26

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 - 6.12.07 - UA 27

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 - 6.12.07 - UA 28

Azione a distanza è misteriosa e - = elettrone e - = elettrone Diffusione di due particelle-materia AIFI - 6.12.07 - UA 29

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 - 6.12.07 - UA 30

Ogni forza fondamentale ha i suoi mediatori forza forte lega i quarks forza elettromagnetica lega gli elettroni AIFI - 6.12.07 - UA 31

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 - 6.12.07 - UA 32

Secondo risultato: esistono the gruppi di particelle-forza 1 fotone 3 bosoni intermedi 8 gluoni 12 particelle-forza AIFI - 6.12.07 - UA 33

Il Modello Standard Model confermato al LEP è elegante 12 particelle-materia 12 particelle-forza AIFI - 6.12.07 - UA 34

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 - 6.12.07 - UA 35

Prossima frontiera: : la SuperSymmetria = SUSY Le masse delle ipotizzate particelle supersimmetriche sono così grandi che non potevamo crearle al LEP AIFI - 6.12.07 - UA 36

Speriamo che alcune superparticelle siano create al Large Hadron Collider LHC ATLAS a LHC protone 7 000 000 MeV protone 7 000 000 MeV AIFI - 6.12.07 - UA 37

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 7 000 000 MeV protone 7 000 000 MeV AIFI - 6.12.07 - UA 38

Un milione di miliardi di gradi 10 15 K Modelli basati sulla fisica particellare Universo in espansione Siamo qui dopo 14 miliardi di anni Raggio dell Universo visiboile L H C LEP 10-10 sec Zuppa degli atomi più semplici 400,000 Years anni 1 miliardo di anni età dell Universo AIFI - 6.12.07 - UA 39

Gli acceleratori nella lotta contro il cancro AIFI - 6.12.07 - UA 40

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 - 6.12.07 - UA 41

Ma la dose data dai raggi X non è ideale Photons Raggi X 100% della dose Bersaglio tumorale AIFI - 6.12.07 - UA 42

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 - 6.12.07 - UA 43

I protoni hanno stesso effetto dei raggi X ma sono più concentrati 9 fasci di raggi X 4 fasci di protoni PSI AIFI - 6.12.07 - UA 44

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 - 6.12.07 - UA 45

First important results obtained with protontherapy 100% 98% Condrosarcomas, protons 70% Control (%) Cordomas, protons <35% conventional RT 5 years 10 years 15 years AIFI - 6.12.07 - UA 46

The site treated with hadrons In the world protontherapy: 50'000 000 patients carbon ion therapy 4 000 patients In Japan and GSI - Darmstadt AIFI - 6.12.07 - UA 47

Numbers of potential patients (*) X-ray therapy every 10 million inhabitants: 20'000 000 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 - 6.12.07 - UA 48

Particle accelerators for hadron therapy AIFI - 6.12.07 - UA 49

The accelerators used today in hadron therapy are circular CYCLOTRONS (Normal or SC) Therapy with protons: 200-250 MeV SYNCHROTRONS OR 6-9 metres 4-5 metres SYNCHROTRONS Therapy with carbon ions: 4000-5000 MeV 18-25 metres AIFI - 6.12.07 - UA 50

Cyclotron solution for protons by IBA - Belgium Rotating gantry IBA Five companies offer turn-key centres for 80-100 M. If proton accelerators would be small and cheap, no radiotherapist would use X rays. AIFI - 6.12.07 - UA 51

Protontherapy is booming 45,000 40,000 40,000 patients > 50 000 patients 45 40 35,000 35 30,000 PT center under operation 25,000 20,000 22 PT centers 30 25 20 15,000 15 10,000 10 5,000 5 0 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 AIFI - 6.12.07 - UA 52

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 (1996-2000) and designed PIMM/TERA for the CNAO Foundation created in 2001 AIFI - 6.12.07 - UA 53

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 (1996-2000) and designed PIMM/TERA for the CNAO Foundation created in 2001 Hospital building AIFI - 6.12.07 - UA High-tech building President: E. Borloni - Technical Dir.: S. Rossi - Medical Dir.: R. Orecchia 54

Status of CNAO in September 2007 Hospital building AIFI - 6.12.07 - UA 55

Status of CNAO in November 2007 AIFI - 6.12.07 - UA 56

The synchrotron area Proton and carbon ion sources First beam foreseen in summer 2008 In 2011 : more than 2 000 patients/year AIFI - 6.12.07 - UA 57

Conclusione LA FISICA È BELLA E UTILE AIFI - 6.12.07 - UA 58