Caratterizzazione di un sistema di veto per un rilvelatore di neutroni nell'ambito dell'esperimento FOOT

L’adroterapia è un tipo di terapia oncologica in cui il tumore è irraggiato con particelle cariche (adroni) quali protoni e ioni carbonio. Il vantaggio principale rispetto alla radioterapia convenzionale a raggi X consiste nel fatto che l’irraggiamento con adroni non coinvolge i tessuti sani circostanti quelli malati. Tuttavia, si conosce ancora poco sui processi di frammentazione nucleare che avvengono tra gli adroni del fascio usato nel trattamento e i nuclei presenti nel corpo umano. Così, nel 2017 nasce l’esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) con lo scopo di misurare le sezioni d’urto differenziali dei frammenti nucleari prodotti nell’interazione a energie di 200-400 MeV/u (tipicamente impiegate in adroterapia). Attualmente l’apparato sperimentale di FOOT è in grado di compiere misure accurate solo per frammenti carichi, ma nell’ultimo anno si è cominciata ad esplorare la possibilità di rivelare anche i neutroni. Per questa operazione è necessario servirsi di scintillatori liquidi affiancati ad un sistema di veto costituito da scintillatori plastici sottili accoppiati a sensori che segnalano il passaggio di eventuali frammenti carichi. In una precedente campagna di misure con la collaborazione FOOT, si sono utilizzati come sensori dei tubi fotomoltiplicatori (PMT). Per migliorare le prestazioni del sistema di veto si è reso necessario l’utilizzo di scintillatori plastici veloci, letti da sensori fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). In questa tesi mi sono occupato della risoluzione temporale dei segnali acquisiti con scintillatori plastici EJ-204 di 3 mm di spessore, letti da SiPM SenseL®.

Studio delle interazioni nel rivelatore e selezione degli eventi nelle misure di sezione d'urto nell'esperimento FOOT

L’adroterapia è una tecnica di cura tumorale basata sull’irraggiamento della zona cancerosa tramite ioni pesanti e particelle cariche. Queste permettono di massimizzare il danno nella zona tumorale e limitare invece quello subito dalle cellule sane. Il più grande ostacolo risiede nella limitata reperibilità di informazioni in letteratura sulla frammentazione del target. I frammenti così prodotti infatti hanno una mobilità di µm e per questo motivo sono molto difficili da rivelare. In questo contesto nel 2017 l’esperimento FOOT, approvato dall’INFN nasce con l’obiettivo di misurare la sezione d’urto differenziale di tutti i prodotti emessi dalla frammentazione nucleare fra il fascio ed il paziente. Operando in condizione di cinematica inversa l’esperimento riesce a rivelare questi frammenti ed a misurarne l’abbondanza e l’energia. E’ stata effettuata a questo proposito, un’analisi dati volta ad eliminare le frammentazioni in aria precedenti ed interne al rivelatore MSD per poter ottenere misure più accurate delle sezioni d’urto di frammentazione.

Studio delle interazioni in aria nelle misure di sezione d'urto nell'esperimento FOOT

L’adroterapia è una terapia medica oncologica che consiste nell’irraggiamento della massa tumorale tramite un fascio di particelle cariche, come protoni o ioni pesanti. Ad oggi però, non è ancora stata fatta una stima completa degli effetti causati dagli eventi di frammentazione nucleare tra le particelle del fascio e i nuclei del corpo umano. A tale scopo è nato nel 2017 l’esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target), con l’obiettivo di misurare la sezione d’urto differenziale di tutti i prodotti emessi nella frammentazione nucleare tra il fascio e il paziente. In questa tesi sono stati analizzati i dati acquisiti relativi all’interazione tra un fascio di ioni ossigeno a 400MeV/n su un bersaglio di grafite. Per ottenere una misura quanto migliore delle sezioni d’urto è necessario eliminare gli eventi di frammentazione che avvengono tra il fascio e i nuclei dell’aria posta tra i rivelatori dell’apparato sperimentale. Confrontando l’energia rilasciata in due rivelatori consecutivi si può capire se nell’aria posta fra questi vi sono stati tali eventi.

Analisi di un metodo per la discriminazione delle particelle neutre nell'ambito dell'esperimento FOOT

L'adroterapia è una delle tecniche utilizzate ad oggi per trattare i tumori ed è basata sull'utilizzo di fasci di particelle cariche, come protoni e ioni carbonio, accelerati sulla zona da trattare. A differenza dei fotoni, utilizzati in radioterapia, le particelle cariche permettono un rilascio di energia più mirato, danneggiando il DNA delle cellule tumorali fino ad impedirne la duplicazione, senza intaccare i tessuti sani circostanti. Per sfruttare al meglio questa tecnica è necessario conoscere a fondo i processi di frammentazione nucleare che possono avere luogo durante il trattamento, sui quali si hanno ancora insufficienti dati sperimentali, in particolare a proposito della frammentazione del bersaglio. L'esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) nasce proprio per poter misurare le sezioni d'urto differenziali dei processi di frammentazione nucleare alle tipiche energie dell'adroterapia, dai 60 MeV/u ai 400 MeV/u. Allo stato attuale l'esperimento è dotato di un apparato per la rivelazione di frammenti carichi pesanti e uno per quelli leggeri, mentre non ha un sistema di rivelazione per le particelle neutre. Si sta quindi valutando la possibilità di aggiungere rivelatori di neutroni, per esempio gli scintillatori liquidi BC-501A, i quali permettono di discriminare fotoni da neutroni grazie alla diversa forma del segnale prodotto (Pulse Shape Discrimination). Per studiare le prestazioni di questi rivelatori, essi si stanno attualmente testando alla facility n_TOF del CERN con diverse sorgenti di particelle. In questo lavoro di tesi mi sono occupata di analizzare i segnali raccolti da due BC-501A con una sorgente AmBe di raggi γ e neutroni, con schermo in piombo, e con una sorgente 88Y di soli raggi γ, evidenziando le buone capacità di questi rivelatori di identificare correttamente neutroni e fotoni.

Analysis of fragmentation cross sections of GSI 2021 data for the FOOT experiment

Hadrontherapy is a medical treatment based on the use of charged particles beams accelerated towards deep-seated tumors on clinical patients. The reason why it is increasingly used is the favorable depth dose profile following the Bragg Peak distribution, where the release of dose is almost sharply focused near the end of the beam path. However, nuclear interactions between the beam and the human body constituents occur, generating nuclear fragments which modify the dose profile. To overcome the lack of experimental data on nuclear fragmentation reactions in the energy range of hadrontherapy interest, the FOOT (FragmentatiOn Of Target) experiment has been conceived with the main aim of measuring differential nuclear fragmentation cross sections with an uncertainty lower than 5\%. The same results are of great interest also in the radioprotection field, studying similar processes. Long-term human missions outside the Earth’s orbit are going to be planned in the next years, among which the NASA foreseen travel to Mars, and it is fundamental to protect astronauts health and electronics from radiation exposure .\\ In this thesis, a first analysis of the data taken at the GSI with a beam of $^{16}O$ at 400 $MeV/u$ impinging on a target of graphite ($C$) will be presented, showing the first preliminary results of elemental cross section and angular differential cross section. A Monte Carlo dataset was first studied to test the performance of the tracking reconstruction algorithm and to check the reliability of the full analysis chain, from hit reconstruction to cross section measurement. An high agreement was found between generated and reconstructed fragments, thus validating the adopted procedure. A preliminary experimental cross section was measured and compared with MC results, highlighting a good consistency for all the fragments.