Fisica e medicina Catalina Curceanu LNF-INF 4 Marzo 2010

F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002

L’atomo all’inizio del ‘900 L’atomo di Thompson L’atomo quantistico L’atomo di Rutherford e Bohr Il nucleo oggi La struttura del nucleo

4 interazioni per spiegare tutto l’Universo !! Le forze fondamentali 4 interazioni per spiegare tutto l’Universo !! 1029 1040 1043 1

e u s c t Il Modello Standard d b m ne n n g g W Z ? Fermioni Bosoni I elettrone ne e-neutrino d down up u I m muone n m-neutrino s strange c charm II t tau n t-neutrino b bottom top III g gluone Gravità il fantasma dell’opera Quarks g fotone Mediatori di Forze Z bosone W Leptoni Dopo protone, neutrone ed elettrone furono scoperte (nei raggi cosmici) o prodotte (dagli acceleratori) molti altri tipi di particelle; le loro proprieta’ erano tali da poterle organizzare in modo regolare (come Mendeleev aveva fatto per gli atomi) Tale regolarita’ fece pensare alla presenza di costituenti ancora piu’ elementari che vennero cercati e trovati. Questi costituiscono I “mattoni” del Modello Standard delle Particelle” Anche in questo caso, l’esistenza di una regolarita’ (organizzazione di famiglie “uguali” ma via via piu’ pesanti) porta a pensare che esistano costituenti “ancora piu’ fondamentali” che, pur essendo stati cercati agli acceleratori e nell’Universo, per ora non sono stati ancora trovati. Sono escluse dall’attuale MS le interazioni gravitazionali; anche questo e’ un indizio di un “qualcosa di piu’ elementare e generale” da scoprire (ampliamenti del MS, teoria delle stringhe, GUT, etc…) Famiglie di materia Bosone di Higgs ?

ATLAS experiment at LHC

Le applicazioni che queste conoscenze hanno reso possibili hanno effetti sempre piu' importanti anche nella vita quotidiana => FISICA E SOCIETA’

Fisica e Societa’: - fisica e medicina: diagnosi e terapia; - fisica e l’arte; - fisica e investigazioni scientifiche; - fisica e problemi del mondo – es. sminamento; - fisica e comunicazioni; - fisica e …di piu’

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Positron Electron Tomography Si tratta di una moderna tecnica medica per visualizzare organi interni.

CERN e Athena

Dall’annichilazione di 0. 5 g di materia con 0 Dall’annichilazione di 0.5 g di materia con 0.5 g di antimateria risulta l’energia equivalente con quella della bomba nucleare che ha distrutto Hiroshima E=mc2

Pero’….al CERN produciamo ~ 107 antiprotoni al secondo; in un grammo di antimateria (anti-idrogeno) ci sono 6x1023 antiprotoni. Risulta che per avere 1g di antimateria ci servono 6x1016 secondi, ovvero 2 miliardi di anni!  Piu’ problemi tecnici….

Positron Electron Tomography Si tratta di una moderna tecnica medica per visualizzare organi interni. Un apparecchiatura PET ha ~ 10.000 rivelatori di g rivaltori BGO di spessore 3 cm Al paziente viene iniettata una sostanza radio-farmacologica (prodotta da un ciclotrone) con una vita media piuttosto breve. La sostanza iniettata raggiunge l’organo che si vuole visualizzare (cuore, cervello etc…) dove emette positroni  l’annichilazione dei positroni con gli elettroni presenti del corpo produce 2 g emessi in direzione opposta

Positron Electron Tomography Le risoluzioni spaziali ottenibili con la PET dipendono dal radioisotopo usato ~ 2 mm F e 4 mm z Per ricostruire immagini tridimensionali sono necessari software di ricostruzione molto sofisticati che tengano conto dei fenomeni di diffusione attenuazione falsi eventi.

Positron Electron Tomography Immagine di un tumore al seno ottenuta con la tecnica PET, la dimensione della massa tumorale e` di qualche mm = diagnosoi precoce!!! Immagini del cervello La PET oggi e` molto diffusa e praticata grazie anche agli enormi progressi fatti nella produzione di cristalli BGO a basso costo da parte degli esperimenti di fisica delle particelle.

La Tomografia Computerizzata

La Tomografia Computerizzata (TC) consente di ricostruire sezioni trasversali del corpo umano.

Principio di funziomento di un tomografo TC Linear scan Source Angular scan Detector

Hounsfield Units Assign calibrated values to gray scale of CT images Based on measurements with the original EMI scanner invented by Hounsfield Relates the linear attenuation coefficient of a local region  to the linear attenuation coefficient of water, W @ 70 keV (=Eeff).

Evoluzione del Tomografo TC Sviluppo di nuovi sistemi, fondati su differenti principi di scansione, nell’intento primario di abbreviare la durata dell’esame. Sviluppo ed utilizzo di nuovi e più perfezionati componenti al fine di migliorare la qualità dell’immagine. Impiego di sistemi di calcolo più potenti. Sviluppo di software applicativi per il post-processing dei dati

Spiral CT Continuous linear motion of patient table during multiple scans Increased coverage volume / rotation Pitch: Number of slice thicknesses the table moves during one rotation (typically ~1-2) pitch

The 3,300-year-old mummy of King Tutankhamun is scanned to assess the need for restoration and also to attempt to discover the cause of his early death (January 2005) (Computed Tomography Imaging (CT Scan )

Adroterapia Gli "Adroni" possono essere usati nella terapia di forme tumorali particolari. Infatti portati all’energia giusta da una macchina acceleratrice, sono in grado di danneggiare i tessuti malati soltanto alla fine del loro percorso nel corpo del paziente, in corrispondenza del tumore stesso I melanomi oculari sono curabili quasi esclusivamente con terapie adroniche Il trattamento con protoni permette di depositare quantita` di energia controllate direttamente nella regione tumorale

Adroterapia Dall'ottobre 2007, l'Italia sarà uno dei pochissimi Paesi al mondo a disporre di una apparecchiatura d'avanguardia per il trattamento dei tumori. Presso Pavia, sorgerà il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (Cnao) che disporrà di un acceleratore di particelle che emette sia protoni che ioni di carbonio realizzato grazie alle conoscenze dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. E' una dimostrazione di come anche la ricerca di base, nel caso particolare quella sulle particelle, è a disposizione dei cittadini e consenta delle "ricadute" applicative in grado di migliorare le terapie per il trattamento di particolari tumori (come quelli del polmone, fegato, prostata e midollo spinale) non curabili con la tradizionale radioterapia. Questa infatti non è in grado di penetrare senza danni fino ad organi che si trovano in profondità nel corpo umano, mentre con gli ioni carbonio si arriva a colpire, con un fascio estremamente preciso (due millimetri), le cellule cancerose fino a profondità di 27-28 centimetri, in pratica in ogni parte dell'organismo.

Adroterapia

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Generalita’ sulle tecniche Le tecniche analitiche utilizzabili sono rivolte principalmente all’ottenimento di informazioni necessarie agli studi nei campi di seguito elencati, di certo non completamente esaustivi Autenticita’ Datazione diretta Datazione indiretta Analisi di provenienza e collocazione storico artistica Valutazione dello stato di conservazione Scelta della tecnica piu’ appropriata per il restauro

Adattabilita’ a varie forme e materiali In linea di massima ogni tecnica nata per lo studio dei materiali puo’ essere applicata in maniera soddisfacente nel campo dell’archeometria purche’ vengano rispettate le esigenze di seguito elencate. Non distruttivita’ Non invasivita’ Adattabilita’ a varie forme e materiali Accuratezza quantitativa Rapidita’ di esecuzione delle misure Limite di rivelazione piccolo

Manufatto Sorgente Rivelatore

I materiali lapidei I materiali fittili I materiali lignei Il campo di indagine e’ molto vasto: I materiali lapidei I materiali fittili I materiali lignei I materiali metallici I vetri Le pergamene I dipinti su tela I dipinti su tavola Gli affreschi

Esempi di analisi Non Distruttive Tecniche fotografiche speciali Riflettografia IR Radiografia Fluorescenza X Tomografia Gammagrafia Termografia Olografia Ultrasuoni

Arte e Fisica Ogni elemento, sottoposto ad una certa radiazione, emette a sua volta un’onda elettromagnetica che ,ordinata per frequenza nello spettro, dà importanti informazioni sull’elemento che l’ha emessa: infatti la radiazione è caratteristica dell’elemento emettitore e dalla misura dell’energia e della quantita' degli X emessi si risale agli elementi presenti nel campione e alla loro concentrazione. Ogni campione produce dunque uno spettro caratteristico. Nello spettro di fluorescenza dell’affresco di Lorenzo Lotto si nota la presenza di ferro (Fe) e di oro (Au).

Pentimenti Le Sueur – musa Urania (particolare)

Analisi dei pigmenti Leonardo Da Vinci – La Gioconda

Riutilizzo tela Rembrandt – Ritratto di giovane uomo Titus

XRF inchiostro Raffaello de Mercatellis manoscritto n.109

XRF bronzo studio della patina e della lega in vari punti Cellini - Perseo Esempio di influenza della patina sullo spettro.

XRF bronzi

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Investigazioni scientifiche: (es. RIP di Parma) Hanno il camice bianco, i guanti di lattice, la mascherina. Ma sotto portano la divisa e i gradi dell'Arma. Sono gli uomini del Racis, il Raggruppamento carabinieri investigazioni scientifiche che operano in tutta Italia sul fronte delle indagini più delicate e dei crimini più efferati. Uomini che sfruttano le moderne tecnologie delle scienza per individuare tracce, analizzare reperti, studiare fino al minimo dettaglio la scena del delitto. Il loro lavoro presuppone una formazione specifica (scientifica) rispetto a quella dei militari tradizionali.

Alla caccia delle tracce del sangue

Alla caccia del sangue

Alla caccia del sangue

Strumentazione all’avanguardia

Microscopio elettronico

Microscopio elettronico: polvere da sparo

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Lo sminamento umanitario

Lo sminamento umanitario L’energia nucleare, così devastante in guerra, può essere una preziosa alleata in tempo di pace. Un esempio: le MINE ANTIUOMO. Ogni anno: 20000 vittime per “vecchie” mine antiuomo (20% bambini). Sminamento “classico” troppo costoso: ispezione del terreno con sensori di anomalia  allarme  estrazione e neutralizzazione esplosivo tempo: > 30 minuti costo: 300-1000 $ falsi allarmi: 99 %

Lo sminamento umanitario Tutti gli esplosivi contengono azoto in gran quantità (20-30%, contro il <2 % normale)  I terreni minati sono ricchissimi di azoto

Il nucleare contro le mine antiuomo Bombardando con neutroni il terreno, si può rivelare una anomala quantità di azoto. Reazione di cattura neutronica: 14N + n  15N + g (Eg=10.8 MeV) Metodo proposto: tubo portatile (dimensioni 50 cm) azionato da robot neutroni da fissione spontanea di 252Cf rivelazione dell’energia mediante scintillatori analisi automatica (computer) durante le successive ispezioni intervento umano solo dopo la conferma

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Rivelatori oggi (CERN)

Sono figlio della fisica (fare riferimento allo schema del MS, in cui non e’ inclusa l’interazione gravitazionale; essa e’ studiata ai Labs…) Esiste la teoria della Relativita’ Generale che descrive correttamente le int. grav., ma non e’ “collegabile” al MS delle particelle A partire da Einstein (articolo del 1916) teoria della Rel. Gen. Che amplia la precedente di Newton  previsione di alcuni fatti sperimentali Alcuni gia’ osservati (precessione del perielio di Mercurio, Eddington: eclisse di Sole in Cile nel 1919, deflessione dei raggi luminosi a causa del campo gravitazionale(?)) Alcuni ancora da osservare: o.g.

Ritmo di sviluppo tecnologico Raddoppio ogni 18 mesi anno crescita 1995 2000 2005 2020 2010 2015 10 100 1000 10000 1 Velocità di sviluppo della tecnologia ( legge di MOORE )

Ritmo di sviluppo tecnologico Sorgente: Intel e Datapro Reports La crescita esponenziale della potenza di elaborazione dei computer alimenta la crescita di applicazioni che richiedono ampie larghezze di banda La forbice fra l’aumento della potenza di elaborazione e le capacità di telecomunicazione continua ad allargarsi

CRESCITA UTENTI COMUNICAZIONI MOBILI 2730 1730 940 446 87

Sorgente: DaimlerChryslerAerospace

Servizi mobili Servizi multimediali in ambiente Mobile Sorgente: DaimlerChryslerAerospace Servizi multimediali in ambiente Mobile

Servizi multimediali in ambiente Residenziale Sorgente: DaimlerChryslerAerospace Servizi multimediali in ambiente Residenziale

Sistema Satellitare

The Global Position System (GPS)

The Global Position System (GPS)

The Global Position System (GPS)

The Global Position System (GPS)

The Global Position System (GPS) e la relativita’! v = 3.87 Km/s t01 – t01’ = (1 - g) t01 1 orbit ~ 12 hours  t01 – t01’ ~ 6 10-8 s  DD ~ 18 m Due to other effects connected to general relativity DD ~ 100 m

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Escher, Mani, 1948

Escher, Relativita’ 1953

Escher, Salita e discesa 1960

Domingo Notaro, Occhio Luce Pluriverso 1980

Domingo Notaro, Quasiquasar 1999

Domingo Notaro, Soglia n.2

capacita’ intellettuali Scienza (fondamentale) Le persone Conoscenza utilizzabile Tecnologie Metodi Cultura scientifica Hardware Sviluppo delle capacita’ intellettuali Software U. Amaldi (2000)

Einstein “L’esperienza piu’ bella che possiamo avere e’ il mistero. E’ l’emozione fondamentale alla base della vera arte e della vera scienza. Chi non sa cos’e’ e non sa piu’ sognare o meravigliarsi, e’ come morto, e il suo sguardo e’ spento.”