LA FISICA È BELLA E UTILE - Fondazione IRCCS - Istituto ... · Metafora dei due gemelli che...

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LA FISICA È BELLA E UTILE

Ugo Amaldi

Fondazione TERA, Novara

Leitmotif di due libri

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1930: invenzione del ‘ciclotrone’ per ricerche in fisica nucleare

Ernest Lawrence

traiettoria a spirale

di un nucleo

accelerato fino a

decine di MeV (milioni di elettronvolt)

Ciclotrone per protoni da 1 MeV = 0.001 GeV

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L’invenzione del “sincrotrone”: 1945

Il sincrotrone per elettroni

da 1 GeV

1959

traiettoria circolare delle particelle accelerate in un

sincrotrone

Campo magnetico verticale

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1947: invenzione del “ linac” per elettroni

William W. Hansen

a Stanford

con i fratelli Varian

Primo linac 1.5 MeV

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LA FISICA BELLA: Particella di Higgs

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PS 1959 SPS 1975

LHC 2010 Large Hadron Collider

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Il CERN, oggi il più grande laboratorio di fisica del mondo, creato

65 anni fa per riportare la fisica europea al livello d’anteguerra

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Gli acceleratori del CERN sono linac e sincrotroni usati come “collisori”

INT - UA - 23.5.17 PS nel 1959 – 25 GeV

LHC nel 2012=

4 000 + 4 000 GeV = 8000 GeV

Dal 2015 6 500 + 6 500 GeV = 13 000 GeV

LHC = Large Hadron Collider

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Gli acceleratori del CERN sono linac e sincrotroni usati come “collisori”

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LHC = Large Hadron Collider

E/2 E/2

Con l’energia E aumenta la massa delle particelle che possono essere create

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I protoni e i neutroni sono particelle composte

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atomo

quark “u” o “d”

elettrone “e”

nucleo atomico

protone o

neutrone

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Le particelle fondamentali sono elettroni, quark….

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gli “adroni” sono fatti di quark

atomo


elettrone “e”

nucleo atomico

protone o

neutrone

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… ma esistono anche elettroni pesanti, quark pesanti…

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atomo

nucleo atomico

protone o

neutrone

1 elettrone pesante = muone

1 elettrone pesantissimo

2 quark pesanti

2 quark pesantissimi

elettrone “e”


PARTICELLE “INSTABILI”

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… ma esistono anche elettroni pesanti, quark pesanti…

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atomo

nucleo atomico

protone o

neutrone

1 elettrone pesante = muone

1 elettrone pesantissimo

2 quark pesanti

2 quark pesantissimi

elettrone “e”


PARTICELLE “INSTABILI”

identico all’elettrone ”e” ma con massa 200 volte maggiore

Perché? Come?

Centinaia di particelle sono create in una collisione (miliardi di collisioni al secondo)

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protone

6 500 GeV

Protone

6 500 GeV

CMS

In una collisione di LHC sono creati 12 tipi differenti di particelle-materia

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I due «rivelatori» di LHC dedicati alla ricerca della particella di Higgs

LHC

2010-2012: ATLAS e CMS hanno registrato centinaia di eventi di produzione di particelle di Higgs

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François Englert Peter Higgs

Prix Nobel – 8 octobre 2013

Fabiola Gianotti Peter Higgs

CERN - 4 juillet 2012

2010-2012: ATLAS e CMS hanno registrato centinaia di eventi di produzione di particelle di Higgs

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François Englert Peter Higgs

Prix Nobel – 8 octobre 2013

Fabiola Gianotti Peter Higgs

CERN - 4 juillet 2012

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La creazione di particelle di Higgs è la prova

sperimentale dell’esistenza del

campo di Higgs

campo di Higgs

particella di Higgs

Il campo di Higgs è il campo più importante perché…

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… riempie tutto lo spazio a partire da un centesimo

di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang

E

le altre particelle interagiscono diversamente con questo campo e acquistano quindi masse diverse

Metafora dei due gemelli che praticano lo sci di fondo su un “campo” di neve

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il secondo gemello ha usato una sciolina sbagliata...

‘elettrone’ ‘muone’

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…ma, se il campo di neve non si vede, concludiamo che ha una massa maggiore.

‘elettrone’ ‘muone’

Metafora dei due gemelli che praticano lo sci di fondo su un “campo” di neve

LA FISICA UTILE: Adroterapia

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Un acceleratore lineare (linac) di elettron per radioterapia

Elettroni da 10 MeV

Cortesia di Elekta

X

bersaglio

X = fotoni 1 000 000 di volte più energetici di

quelli della luce

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150 000 italiani sono trattati ogni anno

con fasci di raggi X

Adroteraterapia con protoni e ioni carbonio

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Energia rilasciata nei tessuti strappando elettroni al DNA (la “doppia elica”) delle celulle attraversate

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tumore raggi X

30 cm

Energia rilasciata nei tessuti strappando elettroni al DNA (la “doppia elica”) delle celulle attraversate

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protoni

ioni carbonio

tumore

tumore raggi X

30 cm

“SPOT”

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Raggi X raggi X protoni oppure

ioni carbonio

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I raggi X hanno due svantaggi: 1. l’energia che danneggia le cellule traversate è distribuita

2. vi sono tumori “radioresistenti” ai raggi X e ai protoni

Raggi X raggi X protoni oppure

ioni carbonio

Vantaggi dell’adroterapia; 1. risparmiano i tessuti sani

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9 fasci di raggi X 4 fasci di protoni o di ioni carbonio

Si ringrazia PSI -- Villigen

Vantaggi dell’adroterapia; 1. risparmiano i tessuti sani

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9 fasci di raggi X 4 fasci di protoni o di ioni carbonio

Si ringrazia PSI -- Villigen

2. Gli ioni carbonio producono in una cellula 25 volte piu’ ionizzazioni di un protone causando rotture multiple della doppia elica che non sono riparate. Possono quindi curare I tumori RADIORESISTENTI ai raggi X e ai protoni

Centri di terapia con protoni (Primo paziente a Berkeley nel 1954)

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IBA

testata rotante

ESS

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Centri ospedalieri di protonterapia dei tumori solidi profondi Centro ATreP a Trento

Ciclotrone: protoni da 230

MeV

Innogest@CERN - UA - 25.3.17

IBA

testata rotante

ESS

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Centri ospedalieri di protonterapia dei tumori solidi profondi Centro ATreP a Trento

Ciclotrone: protoni da 230

MeV

Innogest@CERN - UA - 25.3.17

dodici ditte offrono oggi centri chiavi in mano: 100-120 M€

(incluso edificio)

MA, se gli acceleratori per protoni fossero piccoli come quelli per terapia convenzionale, non ci sarebbero piu’ linac per raggi X

Proteus One - impianto monosala della IBA

Innogest@CERN - UA - 25.3.17 34

110 ton.

50 ton.

Terapia con ioni carbonio per tumori radioresistenti (Primo paziente trattato in Giappone nel 1994)

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TERA e i suoi programmi

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l  Fondazione non- profit creata il 15 settembre 1992 Sede: Novara - Sezione acceleratori: CERN Consiglio Direttivo: UA President Elio Borgonovi (Bocconi-Vicepresidente)

Roberto Orecchia (Statale, IEO, CNAO) Gaudenzio Vanolo (Segretario Generale)

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TERA e i suoi programmi

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l  Fondazione non- profit creata il 15 settembre 1992 Sede: Novara - Sezione acceleratori: CERN Consiglio Direttivo: UA President Elio Borgonovi (Bocconi-Vicepresidente)

Roberto Orecchia (Statale, IEO, CNAO) Gaudenzio Vanolo (Segretario Generale) l  TRE programmi:

Sincrotrone per ioni carbonio (in collaborazione con il CERN) passato alla Fondazione CNAO (2004)

Linac (acceleratori lineari) per protoni: passato ad A.D.A.M. acquistata nel 2013 da Advanced Oncotherapy (Londra)

FBO (Food Bank in Oncology) nutrizionistica dei pazienti oncologici

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Primo programma di TERA dal 1991: CNAO Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica

per ioni carbonio (e protoni)

Dal 2002 Fondazione CNAO

è responsabile della costruzione a Pavia

Progetto PIMMS/TERA

25 m

1 3 2

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FONDATORI: Istituto dei Tumori

Istituto Besta Ospedale Maggiore

San Matteo IEO

TERA

Progetto PIMMS/TERA

25 m

1 3 2

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Nel 2004 TERA ha

consegnato 2000 pagine di specifiche e disegni e

25 persone

Investimento 135 M€ Min. Salute: 90 M€

Reg. Lombardia: 10 M€ Fondazione Cariplo: 5 M€

Progetto PIMMS/TERA

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25 m

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CNAO sul sito di Pavia

Fondazione CNAO Presidente: Dott. E. Borloni

Diettore Generale: Dott. S. Rossi (CNAO, ex-TERA) Direttore Scientifico: Prof. R. Orecchia (UniMi, IEO e TERA)

Alta Tecnologia Edificio Ospedaliero

Ioni carbonio da 4800 MeV e protoni da 250 MeV

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CNAO = Centro Nazionale di Adroterapia at Pavia

Edificio del sincrotrone

Edificio ospedaliero

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Visione prospettica del

CNAO

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Il sincrotrone

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2 sorgenti: C e p Linac iniettore - 7 MeV/u

cavità a RF

quadrupolo magnete deflettore

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Sono stati trattati 1200 pazienti

(80% con ioni carbonio)

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I siti trattati con adroni

Nel mondo

80 centri di protonterapia

150.000 pazienti (+ 15% all’anno)

ioni carbonio:

15.000 pazienti

70% in Giappone (4 centri)

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Potenziali pazienti italiani di adroterapia

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Rapporto 2004 dell’Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica (AIRO):

12-15 sale di protonterapia e 3 sale per ioni carbonio (CNAO) Totale: 3000-4000 pazienti/anno

Nel 2017 Il Ministero della Sanità ha introdotto l’Adroterapia tra i LEA = Livelli Essenziali di Assistenza

Le tariffe sono di 21 000 Euro per un trattamento di 20-30 sedute

(in Italia 150 000 pazienti all’anno sono irradiati con raggi X)


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Condizioni di eligibilità


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Condizioni di eligibilità

Il CNAO a Pavia

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Le storie intrecciate del CERN e dell’adroterapia

dimostrano che:

LA FISICA E’ BELLA E UTILE

Physik ist schön und nützlich

La physique est belle et utile

Physics is beautiful and useful

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