Evidence for complexity at the nanometer scale of radiation-induced DNA DSBs as a determinant of rejoining kinetics

The rejoining kinetics of double-stranded DNA fragments, along with measurements of residual damage after postirradiation incubation, are often used as indicators of the biological relevance of the damage induced by ionizing radiation of different qualities. Although it is widely accepted that high-LET radiation-induced double-strand breaks (DSBs) tend to rejoin with kinetics slower than low-LET radiation-induced DSBs, possibly due to the complexity of the DSB itself, the nature of a slowly rejoining DSB-containing DNA lesion remains unknown. Using an approach that combines pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) of fragmented DNA from human skin fibroblasts and a recently developed Monte Carlo simulation of radiation-induced DNA breakage and rejoining kinetics, we have tested the role of DSB-containing DNA lesions in the 8-kbp-5.7-Mbp fragment size range in determining the DSB rejoining kinetics. It is found that with low-LET X rays or high LET alpha particles, DSB rejoining kinetics data obtained with PFGE can be computer-simulated assuming that DSB rejoining kinetics does not depend on spacing of breaks along the chromosomes. After analysis of DNA fragmentation profiles, the rejoining kinetics of X-ray-induced DSBs could be fitted by two components: a fast component with a half-life of 0.9 +/- 0.5 h and a slow component with a half-life of 16 +/- 9 h. For a particles, a fast component with a half-life of 0.7 +/- 0.4 h and a slow component with a half-life of 12 5 h along with a residual fraction of unrepaired breaks accounting for 8% of the initial damage were observed. In summary, it is shown that genomic proximity of breaks along a chromosome does not determine the rejoining kinetics, so the slowly rejoining breaks induced with higher frequencies after exposure to high-LET radiation (0.37 +/- 0.12) relative to low-LET radiation (0.22 +/- 0.07) can be explained on the basis of lesion complexity at the nanometer scale, known as locally multiply damaged sites. (c) 2005 by Radiation Research Society.

Bystander Signalling: Exploring Clinical Relevance Through New Approaches and New Models

Classical radiation biology research has centred on nuclear DNA as the main target of radiation-induced damage. Over the past two decades, this has been challenged by a significant amount of scientific evidence clearly showing radiation-induced cell signalling effects to have important roles in mediating overall radiobiological response. These effects, generally termed radiation-induced bystander effects (RIBEs) have challenged the traditional DNA targeted theory in radiation biology and highlighted an important role for cells not directly traversed by radiation. The multiplicity of experimental systems and exposure conditions in which RIBEs have been observed has hindered precise definitions of these effects. However, RIBEs have recently been classified for different relevant human radiation exposure scenarios in an attempt to clarify their role in vivo. Despite significant research efforts in this area, there is little direct evidence for their role in clinically relevant exposure scenarios. In this review, we explore the clinical relevance of RIBEs from classical experimental approaches through to novel models that have been used to further determine their potential implications in the clinic. 

Discrimination d'événements par analyse des signaux enregistrés par le projet PICASSO

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP.

Implémentation de la répartition de charge et du mode TOT pour la simulation d’un détecteur Timepix à pixels

Les détecteurs à pixels Medipix ont été développés par la collaboration Medipix et permettent de faire de l'imagerie en temps réel. Leur surface active de près de $2\cm^2$ est divisée en 65536~pixels de $55\times 55\um^2$ chacun. Seize de ces détecteurs, les Medipix2, sont installés dans l'expérience ATLAS au CERN afin de mesurer en temps réel les champs de radiation produits par les collisions de hadrons au LHC. Ils seront prochainement remplacés par des Timepix, la plus récente version de ces détecteurs, qui permettent de mesurer directement l'énergie déposée dans chaque pixel en mode \textit{time-over-threshold} (TOT) lors du passage d'une particule dans le semi-conducteur. En vue d'améliorer l'analyse des données recueillies avec ces détecteurs Timepix dans ATLAS, un projet de simulation Geant4 a été amorcé par John Id\'{a}rraga à l'Université de Montréal. Dans le cadre de l'expérience ATLAS, cette simulation pourra être utilisée conjointement avec Athena, le programme d'analyse d'ATLAS, et la simulation complète du détecteur ATLAS. Sous l'effet de leur propre répulsion, les porteurs de charge créés dans le semi-conducteur sont diffusés vers les pixels adjacents causant un dépôt d'énergie dans plusieurs pixels sous l'effet du partage de charges. Un modèle effectif de cette diffusion latérale a été développé pour reproduire ce phénomène sans résoudre d'équation différentielle de transport de charge. Ce modèle, ainsi que le mode TOT du Timepix, qui permet de mesurer l'énergie déposée dans le détecteur, ont été inclus dans la simulation afin de reproduire adéquatement les traces laissées par les particules dans le semi-conducteur. On a d'abord étalonné le détecteur pixel par pixel à l'aide d'une source de $\Am$ et de $\Ba$. Ensuite, on a validé la simulation à l'aide de mesures d'interactions de protons et de particules $\alpha$ produits au générateur Tandem van de Graaff du Laboratoire René-J.-A.-Lévesque de l'Université de Montréal.

Nouvelles limites sur la détection directe de la matière sombre avec l’expérience PICASSO

Les observations astronomiques et cosmologiques suggèrent fortement la présence d’une matière exotique, non-relativiste et non-baryonique qui représenterait 26% du contenu de masse-énergie de l’Univers actuel. Cette matière dite sombre et froide serait compo- sée de particules neutres, massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP : Weakly Interactive Massive Particles). Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une des expériences installées dans le site souterrain de SNOLAB à Sudbury en Ontario, qui tente de détecter directement un des candidats de la matière sombre, proposé dans le cadre des extensions supersymétriques du modèle standard : le neutralino. Pour cela, PICASSO utilise des détecteurs à gouttelettes surchauffées de C4F10, basés sur le principe de la chambre à bulles. Les transitions de phase dans les liquides surchauffés peuvent être déclenchées par le recul du 19 F, causé par une collision élastique avec les neutralinos. La nucléation de la gouttelette génère une onde sonore enregistrée par des senseurs piézo-électriques. Cette thèse présentera les récents progrès de l’expérience PICASSO qui ont conduit à une augmentation substantielle de sa sensibilité dans la recherche du neutralino. En effet, de nouvelles procédures de fabrication et de purification ont permis de réduire à un facteur de 10, la contamination majeure des détecteurs, causée par les émetteurs alpha. L’étude de cette contamination dans les détecteurs a permis de localiser la source de ces émetteurs. Les efforts effectués dans le cadre de l’analyse des données, ont permis d’améliorer l’effet de discrimination entre des évènements engendrés par les particules alpha et par les reculs nucléaires. De nouveaux outils d’analyse ont également été implémentés dans le but de discriminer les évènements générés par des particules de ceux générés par des bruits de fond électroniques ou acoustiques. De plus, un mécanisme important de suppression de bruit de fond indésirable à haute température, a permis à l’expérience PICASSO d’être maintenant sensible aux WIMPs de faibles masses.

Universal trend for heavy-ion total reaction cross-sections at energies above the Coulomb barrier

Heavy-ion total reaction cross-section measurements for more than 1100 reaction cases covering 61 target nuclei in the range (6)Li-(238)U and 158 projectile nuclei from (2)H to (84)Kr (mostly exotic ones) have been analyzed in a systematic way by using an empirical, three-parameter formula that is applicable to the cases of projectile kinetic energies above the Coulomb barrier. The analysis has shown that the average total nuclear binding energy per nucleon of the interacting nuclei and their radii are the chief quantities that describe the cross-section patterns. A great amount of cross-section data (87%) has been quite satisfactorily reproduced by the proposed formula; therefore, the total reaction cross-section predictions for new, not yet experimentally investigated reaction cases can be obtained within 25% (or much less) uncertainty.

Proton-halo effects in the (8)B+(58)Ni reaction near the Coulomb barrier

Elastic scattering of (8)B and (7)Be on a (58)Ni target has been measured at energies near the Coulomb barrier. The total reaction cross sections were deduced from Optical-model fits to the experimental angular distributions. Comparison with other systems shows evidence for proton-halo effects on (8)B, as well as for neutron-halo on (6)He reactions. While the enhancement in the cross section observed for (8)B is explained in terms of projectile breakup, in the case of (6)He reactions, the particle transfer proces explains the observed enhancement.

Multiple particle and cluster emissions from Zr following intermediate energies photo absorption

A new approach based on a N-a cluster photoabsorption model is proposed for the understanding of the puzzling steady increase behavior of the 90Zr (e, α) yield measured at the National Bureau of Standards (NBS) within the Giant Dipole Resonance and quasideuteron energy range. The calculation takes into account the pre-equilibrium emissions of protons, neutrons and alpha particles in the framework of an extended version of the multicollisional intranuclear cascade model (MCMC). Another Monte Carlo based algorithm describes the statistical decay of the compound nucleus in terms of the competition between particle evaporation (p, n, d, α, 3He and t) and nuclear fission. The results reproduce quite successfully the 90Zr (e,α) yield, suggesting that emissions of a particles are essential for the interpretation of the exotic increase of the cross sections.

Micro-raman spectroscopic characterization of a CR-39 detector

Characterization by micro-Raman spectroscopy of polymeric materials used as nuclear track detectors reveals physico-chemical and morphological information on the material's molecular structure. In this work, the nuclear track detector poly(allyl diglycol carbonate), or Columbia Resin 39 (CR-39), was characterized according to the fluence of alpha particles produced by a 226Ra source and chemical etching time. Therefore, damage of the CR-39 chemical structure due to the alpha-particle interaction with the detector was analyzed at the molecular level. It was observed that the ionization and molecular excitation of the CR-39 after the irradiation process entail cleavage of chemical bonds and formation of latent track. In addition, after the chemical etching, there is also loss of polymer structure, leading to the decrease of the group density C-O-C (∼888 cm-1), CH=CH (∼960 cm -1), C-O (∼1110 cm-1), C-O-C (∼1240 cm -1), C-O (∼1290 cm-1), C-O (∼1741 cm -1), -CH2- (∼2910 cm-1), and the main band -CH2- (∼2950 cm-1). The analyses performed after irradiation and chemical etching led to a better understanding of the CR-39 molecular structure and better comprehension of the process of the formation of the track, which is related to chemical etching kinetics. Copyright © 2013 Society for Applied Spectroscopy.

As investigações de Ernest Rutherford sobre a estrutura da matéria: contribuições para o ensino de química

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Uso do Rad7 para a caracterização do torônio em águas de estâncias hidrominerais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo teórico da contribuição à dose de partículas secundárias geradas por prótons de energias entre 100 e 200 MeV num Phantom de substituto de tecido MS20

The goal of this project is the reproduction, through the simulation code based on the MCNPX (Monte Carlo N-Particle eXtended) v2.50 method, of the proton beam interaction with the material, since, in proton therapy, only the particle ionization and excitation are analyzed and the occurence of nuclear interactive inelastic process are not considered. This work will help the development of studies concerning the contribution to the total dosis of secondary particles generated by nuclear interaction in proton therapy. They are: alpha particles ( ), deuterium(2H), tritium (3H), neutron (n) and helium (3He). A MS20 tissue substitute phantom was used as the target and the energy of the proton beams was within an interest range of 100 to 200MeV. With the results obtained, it was possible to generate graphics which allows the analysis of the dosis deposition relation with and without nuclear interaction, the percentage of secondary particles deposited dosis, the radial dispersion of neutrons in the material, the secondary particles multiplicity, as well as the relation between the secondary particles spectrum with the próton generated spectrum

Produção de partículas secundárias em reações de “spallation” induzidas por prótons

Cosmic radiation has been identi ed as one of the main hazard to crew, aircraft and sensitive equipments involved in long-term missions and even high-altitude commercial ights. Generally, shields are used in spatial units to avoid excessive exposure, by holding the incident radiation. Unfortunatelly, shielding in space is problematic, especially when high-energy cosmic particles are considered, due to the production of large number of secondary particles, mainly neutrons, protons and alpha particles, caused by spallation reactions and quasi-elastic processes of the corpuscular radiation with the shield. Good parameters for checking the secondary particle production at target material are diferential cross section and energy deposited in the shield. Addition experiments, some computer codes based on Monte Carlo method show themselves a suitable tool to calculate shield parameters, due to have evaluated nuclear data libraries implemented on the algorithm. In view of this, the aim of this work is determining the parameters evaluated in shielding materials, by using MCNPX code, who shows good agreement with experimental data from literature. Among the materials, Aluminium had lower emission and production of secondary particles

Nonlocal effects in the 8Be breakup

A collective Hamiltonian for a two alpha particles aggregate, which describes the 8Be nucleus, encompassing a collective potential and an inertia function of that system, is obtained and analyzed through the use of a technique - derived from an approach of the generator coordinate method (GCM) - which allows for the extraction of collective information. The nucleon-nucleon interaction considered here is the one proposed by Volkov plus the Coulomb repulsion. It is shown that nonlocal effects appear in those collective functions describing the spontaneously occurring breakup process. Furthermore, the result for the inertia function stands for a microscopically generated evidence supporting a double-folding-based model of the real part of the nucleus-nucleus nonlocal interaction recently proposed.

Efeito túnel multidimensional em reações nucleares

Pós-graduação em Física - IFT