STructure of hAdRon TRACKs STARTRACK2 Laura De Nardo nanodosimetric STructure of hAdRon TRACKs INFN PD – LNL PD: Laura De Nardo (0.50), G. Tornielli (0.50), D. Moro (0.50) LNL: P. Colautti (0.50), V. Conte (0.50), M. Lombardi (1.00), M. Poggi (0.20), S. Canella (0.20), G. Egeni (0.50) Collaborazioni: PTB-Braunschweig Germania, SOLTAN Institute of Nuclear Physics Polonia, AIT Austrian Institute of Technology, Laplace Laboratory of Toulouse University, Politecnico di Milano, ENEA-Bologna

Linea di ricerca Scopo del progetto: In tutti i settori che si occupano dell‘interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia biologica si pone una domanda: quale è la quantità fisica più significativa dal punto di vista degli effetti biologici? Radioprotezione Radiobiologia Radioterapia Scopo del progetto: investigare la fisica delle interazioni ionizzanti in siti di dimensioni nanometriche

Bersagli biologici 1-2 mm 2 nm Perchè è importante investigare l’interazione della radiazione a livello del nanometro? l’importanza delle proprietà spaziali del deposito energetico su scala nanometrica 1-2 mm Molti esperimenti radiobiologici condotti con radiazioni di diversa qualità, confrontati con il risultato di calcoli Monte Carlo della struttura di traccia delle radiazioni, hanno evidenziato l’importanza delle proprietà spaziali del deposito energetico su scala nanometrica. C’è quindi un generale consenso nel ritenere che la qualità della radiazione possa essere messa in relazione con le distribuzioni delle ionizzazioni prodotte in bersagli di dimensioni nanometriche {{22 Grosswendt,B. 2006}}. 2 nm Le dimensioni dei più importanti bersagli biologici hanno dimensioni micrometriche o nanometriche 11 nm Nucleosome 11nm

L’interazione radiazione-materia biologica  interazione multiparticellare interazione di singola particella  Alle dosi comunemente utilizzate in radiobiologia o radioterapia, con qualsiasi tipo di radiazione, in un bersaglio di dimensioni nanometriche il deposito energetico è essenzialmente dovuto ad una singola traccia di radiazione; la componente multi-traccia è sostanzialmente trascurabile {{37 Goodhead, D.T. 1989}}. Di conseguenza appare di fondamentale importanza l’indagine della struttura di traccia prodotta da una singola particella su scala nanometrica. Grandezze nanodosimetriche, quali le distribuzioni della grandezza dei cluster di ionizzazioni prodotti in un sito nanometrico, sono ritenute importanti nello specificare il danno biologico indotto dalle radiazioni. Tali grandezze non sono tuttavia direttamente misurabili in un bersaglio biologico e la nostra conoscenza attuale deriva per la maggior parte da calcoli effettuati mediante tecniche di tipo Monte Carlo. La conoscenza sperimentale della struttura di una traccia di ionizzazione deriva esclusivamente da misure in gas. di fondamentale importanza l’indagine della struttura di traccia prodotta da una singola particella su scala nanometrica le distribuzioni della grandezza dei cluster di ionizzazioni prodotti specificare il danno biologico indotto

L’esperimento STARTRACK D = 20 nm Misura le distribuzioni del numero di ionizzazioni (cluster size) prodotte da un singolo adrone in un volume sensibile di dimensioni pari a circa 20 nm di tessuto equivalente al variare del parametro d’impatto d. Volume sensibile del rivelatore STRUTTURA di traccia: distribuzione delle ionizzazioni attorno alla traccia di uno ione. Tale conoscenza ci aiuterà a capire la fisica delle lesioni biologiche primarie. E’ infatti noto che la maggior parte delle lesioni biologiche dovute alle radiazioni ionizzanti è dovuta ad eventi di ionizzazione. Per STRUTTURA si intende la probabilità che, al passaggio di uno ione, si abbiano 1 o 2 o 3 etc.. ionizzazioni in un sito di dimensione significativa per una cellula vivente. Si ritiene che siano di massima rilevanza i siti di dimensioni di qualche nanometro (DNA) fino a qualche decina di nanometri (fibra di cromatina). La STRUTTURA di una traccia dipende dalla grandezza del sito preso in considerazione, dal tipo e velocità dello ione, dalla distanza del sito dalla traccia. L’Unione Europea ha finanziato due progetti (nel III e nel IV programma quadro) per sviluppare apparati di misura in grado di misurare la struttura di ionizzazione di traccia di una particella carica e modelli di azione biologica basati sull’interazione di una singola particella con strutture biologiche di dimensioni nanometriche {{584 Colautti, P. 2001; 561 Colautti, P. 1997}}. Due di questi apparati si basano sulla rilevazione degli ioni positivi prodotti nel corso dei processi di ionizzazione e consentono di simulare siti di dimensioni minori ai 10nm {{20 Pszona,A. 2000; 5 Shchemelinin-S}}. Tali apparati tuttavia non consentono di variare il parametro d’impatto del sito sensibile rispetto alla traccia della particella. L’apparato sperimentale sviluppato presso i LNL è invece basato su un contatore di singoli elettroni ed è in grado di misurare le distribuzioni di ionizzazioni in siti di dimensioni pari a circa 20 nm. Nell’ambito del progetto STARTRACK tale apparato è stato installato sul canale +50° della sala sperimentale 1 del complesso Tandem-ALPI dei LNL 5

Piano di misure dell‘esperimento STARTRACK Cammino libero medio di ionizzazione p in gas propano di ioni idrogeno, litio e carbonio Ioni leggeri di interesse terapeutico Startrack2 is a 3 years experiment (2008-2011) approved by the 5° commission of INFN. In this figure the planned measurements.We want to injvestigate the ionization pattern of different light ions of therapeutic interest, energy are chosen in order to have ions of same velocity or same primary ionization mean free path. ( I pallini indicano le misure fatte, le stelle quelle mancanti (i protoni da 8 MeV/amu , cioè deutoni da 16 MeV) sono stati misurati ma ci sono stati problemi in turno e sono da rifare). Le alfa corrispondono alla sorgente interna di calibrazione) Calcoli effettuati mediante codici Monte Carlo hanno messo in evidenza alcune interessanti proprietà di invarianza nella struttura di traccia di ionizzazione prodotta da particelle cariche. L’esperimento Startrack si propone di investigare l’esistenza di questa invarianza. Monte Carlo: proprietà di invarianza nella struttura di traccia di ionizzazione prodotta da particelle cariche

Distribuzioni condizionali: invarianza con d D = 20 nm Pn*(Q, d) The conditional probabilityPn(Q, d) that exactly the number n of ionizations is produced in the target volume by a particle of radiation quality Q which passes the target centre at distance d, is invariant with d in the penumbra (PARAMETRI D’IMPATTO MAGGIORI DI 20NM) region. If only hit targets are considered, the quality of radiation doesn’t change with distance. Of course fraction of hit sites changes, aprox as 1/d2 Una di queste proprietà di invarianza riguarda le distribuzioni di ionizzazioni prodotte “indirettamente” dalla particella carica primaria in siti nanometrici, cioè quelle prodotte nella zona cosiddetta di penombra dall’interazione di raggi delta emergenti dalla traccia. Calcoli effettuati con protoni di energia compresa tra 0.3 e 20 MeV hanno evidenziato come, in tale zona della traccia, le distribuzioni dei cluster di ionizzazione siano indipendenti sia dalla distanza del sito dalla traiettoria della particella primaria, sia dall’energia della particella primaria {{558 Wilson, W.E. 1994; 557 Wilson, W.E. 1994}}. Infatti, sebbene la distribuzione energetica iniziale dei raggi delta dipenda dalla velocità della particella primaria, i processi di interazione subiti dagli elettroni determinerebbero un rapido raggiungimento di una distribuzione energetica di equilibrio, dominata da elettroni di bassa energia. All’aumentare della distanza radiale del sito, la probabilità che esso risenta di un deposito energetico diminuisce essenzialmente con il quadrato della distanza radiale, ma quando ciò avviene il deposito energetico rimane essenzialmente invariato. Ciò è consistente con la dipendenza da 1/r2 della dose radiale. Altri calcoli suggeriscono che l’invarianza dell’energia media depositata in un sito nanometrico rispetto all’energia della particella primaria e al parametro d’impatto valgano anche nel caso di ioni pesanti {{562 Wang, X. 2006}} P*n(Q, d) : probabilità che n ionizzazioni siano prodotte nei bersagli colpiti posti a distanza d dalla traccia di una particella la cui qualità di radiazione è Q

Distribuzioni condizionali: invarianza con tipo di ione ed energia D = 20 nm Pn*(Q, d) Moreover the conditional cluster-sizedistribution in the penumbra is the same for ions of different type and energy.

Risultati ed obiettivi futuri Per tutti gli ioni finora investigati: Le distribuzioni condizionali nella zona di “penombra” sono indipendenti dalla distanza d. Le distribuzioni condizionali sono indipendenti dal tipo di ione e dalla sua energia. La qualità della radiazione dovuta ai raggi d risulta essere invariante con il parametro d’impatto d ed il tipo ed energia dello ione se le distribuzioni dei cluster di ionizzazione sono indipendenti sia dalla distanza del sito dalla traiettoria della particella primaria, sia dall’energia e dal tipo di particella primaria, come suggerito da tali misure, l’unica zona della traccia significativa nel caratterizzare i diversi tipi di particelle sarebbe quella centrale, il cosiddetto core. Questa forte riduzione della complessità dei fenomeni fisici, che sono alla base dell’azione biologica della radiazione, supporterebbe la validità di modelli radiobiologici quali il pairwise lesion interaction model {{585 Harder, D. 1988}} ed il lamda- model {{563 Simmons, J.A. 1999}} che suggeriscono che la qualità biologica di una radiazione potrebbe essere monitorata misurando semplicemente il cammino libero medio della ionizzazione primaria. Completamento piano di misura: 240 MeV 12C 180 MeV 12C 15 MeV p 16 MeV deutoni (ripetizione)

Piano finanziario PD Richieste ai servizi 2012 INTERNO 1.0 k€ Partecipazione ad un congresso nazionale per 1 persona (XVI Convegno nazionale della Società Italiana per le Ricerche sulle Radiazioni) CONSUMO 1.0 k€ Componentistica per manutenzione elettronica del rivelatore TOTALE 2.0 k€ Richieste ai servizi 2012 1.0 mu officina elettronica per manutenzione apparato