Fisica Semplice · Asimmetrie n.2 · maggio 2006
L’acceleratore
che verrà.
E un telescopio spaziale per i raggi gamma. E le particelle che curano i tumori. Questo è il numero 2 di Asimmetrie.
Nel maggio 2006 l’INFN pubblica il secondo numero di Asimmetrie. Tre articoli principali, tre domande. Come si costruisce un acceleratore lineare lungo 40 chilometri che non esiste ancora? Come si usa un fascio di particelle per curare un tumore senza toccare i tessuti circostanti? Come si rileva un raggio gamma arrivato da miliardi di anni luce dallo spazio?
Un telescopio in orbita
per vedere ciò che l’occhio
non può vedere.
Immagina di voler guardare l’Universo nella luce che non vedi. Non la luce visibile — quella che registrano le fotografie astronomiche — ma i raggi gamma: radiazione elettromagnetica ad altissima energia, prodotta dagli eventi più violenti dell’Universo. Esplosioni stellari. Buchi neri in fase di accrescimento. Materia e antimateria che si annichiliscono. Nessuno di questi fenomeni è osservabile dalla Terra: l’atmosfera blocca i raggi gamma prima che raggiungano il suolo. Bisogna andare nello spazio.
Questo è il compito di GLAST — Gamma-ray Large Area Space Telescope. Un satellite della NASA con partecipazione italiana significativa, progettato per orbitare a 550 chilometri di altitudine e osservare il cielo in raggi gamma con una sensibilità dieci volte superiore ai telescopi precedenti. Doveva essere lanciato nel 2007. Il cuore dello strumento è il Large Area Telescope (LAT): un tracciatore di particelle che registra ogni fotone gamma con direzione, energia e istante di arrivo.
L’Italia è coinvolta attraverso l’INFN e l’ASI (Agenzia Spaziale Italiana), con una contribuzione diretta alla costruzione del tracciatore. Il principio di funzionamento è analogo a quello dei grandi rivelatori terrestri: quando un fotone gamma entra nel LAT, interagisce con strati di tungsteno e produce una coppia elettrone-positrone, le cui tracce vengono ricostruite con rivelatori al silicio. La direzione originale del fotone gamma viene così calcolata con precisione sub-arcominuto.
Tra i bersagli più importanti: le sorgenti di raggi gamma non identificate che costituiscono una percentuale significativa di tutti i fenomeni catalogati. Forse pulsar, forse resti di supernova, forse qualcosa che non abbiamo ancora classificato. Ogni fotone catturato da GLAST è un messaggero che ha viaggiato per miliardi di anni.
La tecnologia al silicio
Tracciatore a microstrip — rivelatori al silicio sottili come un foglio, capaci di localizzare una particella con precisione di pochi micrometri.
Calorimetro CsI — cristalli di ioduro di cesio che misurano l’energia del fotone gamma con altissima precisione.
Scudo anticoincidenza — distingue i fotoni gamma dai raggi cosmici carichi, riducendo il rumore di fondo di un fattore mille.
Una particella
che colpisce il tumore
senza toccare il resto.
C’è un problema fisico alla base della radioterapia tradizionale: quando un fascio di raggi X attraversa il corpo per raggiungere un tumore, rilascia energia anche nei tessuti sani che incontra prima e dopo. Il tumore viene colpito, ma a un costo.
Gli adroni — protoni e ioni di carbonio — si comportano in modo radicalmente diverso. Mentre i raggi X rilasciano la maggior parte dell’energia all’ingresso nel tessuto, un fascio di protoni viaggia quasi indisturbato fino a una profondità calcolata con precisione, poi deposita tutta la sua energia in un picco strettissimo — il picco di Bragg — e si ferma. Il tessuto davanti: intatto. Il tessuto dietro: risparmiato. Il tumore: irradiato con precisione millimetrica.
Questa è l’adroterapia. Robert Wilson ne descrisse il principio nel 1946. Ma la sua applicazione clinica richiede acceleratori di particelle di precisione — strutture enormi e costose. Costruire ospedali con ciclotron incorporati non è banale.
In Italia, la risposta è arrivata da Catania. Il Progetto CATANA — Centro di AdroTerapia e Applicazioni Nucleari Avanzate — ai Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN ha trattato i primi pazienti nel 2002. Al 2006, novantanove pazienti hanno ricevuto il trattamento per melanoma della coroide: il tumore dell’uvea, la parte pigmentata dell’occhio. L’alternativa chirurgica era spesso l’enucleazione — la rimozione dell’occhio. L’adroterapia conserva l’organo nel 90% dei casi.
LNS Catania — Il ciclotrone superconduttore da 62 MeV produce il fascio di protoni usato in CATANA. È lo stesso acceleratore impiegato nella ricerca in fisica nucleare.
CNAO — Pavia — In costruzione nel 2006, il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica ha aperto nel 2011. Tratta tumori con protoni e ioni carbonio, profondi e vicini a strutture critiche.
Ioni di carbonio — ancora più precisi dei protoni, producono un picco di Bragg ancora più netto. Particolarmente efficaci contro tumori radioresistenti.
CATANA dimostra una cosa che la ricerca di base dimostra spesso: la stessa macchina costruita per studiare il nucleo atomico diventa uno strumento terapeutico. La distanza tra un acceleratore per la fisica nucleare e un acceleratore per la medicina oncologica è molto più breve di quanto sembri.
Quaranta chilometri
di acceleratore lineare
che non esiste ancora.
Mentre l’LHC al CERN non è ancora in funzione, la comunità internazionale dei fisici discute già di ciò che verrà dopo — o meglio, di ciò che verrà insieme: l’International Linear Collider. Un acceleratore lineare lungo 40 chilometri che non esiste ancora, ma di cui si conosce quasi tutto: posizione ipotetica in Giappone, tecnologia (cavità superconduttrici al niobio raffreddate a 2 Kelvin), particelle accelerate (elettroni e positroni), energia di collisione (500 GeV, espandibile a 1 TeV).
La domanda logica è: perché costruire un secondo grande acceleratore se LHC non ha ancora prodotto un risultato? La risposta sta nel complemento dei due strumenti. LHC collide protoni: le collisioni sono “sporche”, producono migliaia di detriti, richiedono enormi filtri statistici per isolare eventi rari. Produrrà scoperte ad ampio spettro. ILC collide elettroni e positroni: le collisioni sono pulite, l’energia iniziale è perfettamente nota, ogni evento è misurabile con precisione. Permetterà di misurare con esattezza quello che LHC avrà scoperto.
Il confronto classico: se LHC è il cannocchiale che individua un nuovo pianeta, ILC è il telescopio che ne studia l’atmosfera.
L’ILC è anche una storia italiana. Non perché verrà costruito in Italia — non è così — ma perché il principio su cui è basato risale a un fisico italiano che lavorava ai Laboratori Nazionali di Frascati: Bruno Touschek.
Nel 1960, Touschek propose e realizzò AdA — l’Anello di Accumulazione — il primo collisore materia-antimateria della storia. L’idea era radicale: invece di sparare particelle su un bersaglio fisso, fai circolare due fasci in senso opposto — uno di materia, uno di antimateria — e lasciali collidere a testa contro testa. L’energia disponibile per la collisione raddoppia. AdA era lungo qualche metro. Sessant’anni dopo, ILC è lungo 40 chilometri. La fisica è la stessa.
La fisica delle collisioni · Dal piccolo AdA di Frascati all’idea di ILC
L’architettura di ILC
Due linee parallele, una per elettroni e una per positroni. Ogni linea lunga circa 11 km, con una sezione sorgente e una sezione di pre-accelerazione.
9300 cavità superconduttrici al niobio, raffreddate a 2 Kelvin (-271°C), più fredde dello spazio profondo. Producono campi elettrici che accelerano le particelle al 99,9999…% della velocità della luce.
Un rivelatore centrale nel punto di collisione — in realtà due intercambiabili. L’energia del fascio è nota a meno di 0,1%: ogni collisione è misurabile con precisione assoluta.
La fisica si costruisce
su decenni, non su anni.
Il secondo numero di Asimmetrie esce nel 2006. GLAST viene lanciato nel 2008 e si chiamerà Fermi Gamma-ray Space Telescope: ha scoperto migliaia di nuove sorgenti gamma, tra cui pulsar millisecondo, blazar, e la prima evidenza di emissione gamma da lampi brevissimi. Il CNAO di Pavia apre nel 2011 e tratta pazienti ogni anno. ILC nel 2026 non esiste ancora, ma il Giappone ha offerto di ospitarlo, la tecnologia è matura, e la comunità internazionale ci lavora da vent’anni.
Ci sono cose che si decidono in un laboratorio e si vedono in una sala operatoria vent’anni dopo. C’è una linea che collega il ciclotrone dei LNS di Catania all’occhio conservato di novantanove pazienti con melanoma. C’è una linea che collega AdA di Touschek a Frascati nel 1960 al progetto ILC discusso da trenta Paesi nel 2006. C’è una linea che collega i rivelatori al silicio costruiti per GLAST ai sensori di imaging medico che usano la stessa tecnologia.
Queste linee non erano visibili quando sono state tracciate. Lo sono adesso, guardando indietro. È per questo che vale la pena guardarle: non per nostalgia, ma per capire cosa significa investire in conoscenza quando non sai ancora dove ti porterà.
Il prossimo numero
Asimmetrie esce ogni sei mesi. Quando uscirà il prossimo numero, lo leggo, lo studio e lo racconto qui — con lo stesso approccio: niente gergo, niente semplificazioni che svuotano, nessun fenomeno straordinario presentato come magia. Solo fisica, spiegata come si spiega qualcosa a un amico curioso.
Asimmetrie —
gratuita, due volte l’anno.
La rivista dell’INFN è disponibile gratis in formato digitale e cartaceo. Se questi temi ti interessano, è il posto migliore da cui cominciare: scritta da fisici, pensata per tutti.
Il numero 2 di Asimmetrie è del 2006. Vent’anni dopo, GLAST si chiama Fermi e ha mappato il cielo in raggi gamma come nessuno aveva fatto prima. Il CNAO tratta pazienti ogni giorno. ILC è ancora un progetto, ma i fisici che ci lavorano continuano a crederci. E penso che abbiano ragione.
Alberto
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