In terapia con particelle la conoscenza approfondita dei processi di frammentazione, sia dei nuclei del fascio che del paziente, è di fondamentale importanza per la realizzazione dei piani di trattamento.
L'esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) è stato approvato nel 2017 dall'INFN con lo scopo di misurare le sezioni d'urto di produzione di frammenti carichi per protoni, di energia tra i 50-250 MeV/u, incidenti su nuclei di interesse biologico (H,C,O), al fine di studiare l'impatto della frammentazione dei nuclei target sul efficacia radiobiologica dei protoni. La misura verrà effettuata con un approccio di cinematica inversa, facendo collidere fasci di C e O su bersagli di grafite e polietilene. Con tale configurazione è possibile allo stesso tempo studiare la frammentazione dei nuclei del fascio terapeutico.
L'identificazione della specie atomica e la misura della velocità del frammento verranno effettuate sfruttando il tempo di volo, misurato da due sottili scintillatori plastici posti a circa 2m di distanza, che forniscono rispettivamente il tempo di start e di stop. Il rivelatore di start sarà costituito da uno scintillatore plastico sottile (250 um), garantendo la necessaria risoluzione temporale richiesta per un'accurata separazione isotopica dei frammenti (~ 50 ps) e allo stesso tempo una ridotta probabilità di frammentazione all'interno del rivelatore stesso.
Oltre ai fasci correntemente impiegati in terapia con particelle (p, C) è in costante aumento l'interesse per l'utilizzo di ioni alternativi come l'elio. Poiché la risoluzione temporale attesa per il detector di start su fascio di He non soddifa i requisiti richiesti, per studiarne la frammentazione in una possibile estensione dei goal dell'esperimento FOOT è necessario un differente un rivelatore. L' obbiettivo di questo progetto è lo sviluppo di un detector di start con uno spessore di 1 mm adatto a misurare le sezioni d'urto per ioni He con la risoluzione temporale richesta.
La conoscenza della frammentazione nucleare ha una notevole importanza nella terapia con particelle, poichè la dose addizionale rilasciata da tali particelle ha un impatto significativo sulla qualità del trattamento e sul rischio di danneggiare tessuti sani e organi a rischio. La frammentazione degli ioni proiettile (nei trattamenti con carbonio, o in prospettiva ossigeno o elio) produce un elevato numero di frammenti con un'energia cinetica dell'ordine delle centinaia di MeV/u. La dose aggiuntiva depositata da tali frammenti non è generalmente trascurabile e può comportare un sovradosaggio nei tessuti sani circostanti il volume tumorale. Nei trattamenti con protoni si verifica solamente la frammentazione del target, con produzione di frammenti di bassa energia (pochi MeV) e a corto range. La dose depositata dai frammenti con Z maggiore è considerata una delle possibili cause dell'aumento dell'efficacia radiobiologica dei protoni (attualmente considerata costante nella routine clinica) , aumentando la probabilità di complicazioni nei tessuti sani nel canale d'ingresso . D'altra parte i modelli Monte Carlo utilizzati non sono sempre in grado di descrivere in modo sufficientemente accurato i processi di frammentazione.
Le misure di sezione d'urto di frammentazione dell'elio sono ad oggi scarse o sono note con grandi incertezze. Lo studio della frammentazione dell'elio nell'esperimento FOOT consentirà un notevole ampliamento delle conoscenze, che potranno essere sfruttate per la realizzazione e ottimizzazione dei codici dei TPS (Treatment Planning System) anche per trattamenti con ioni He. Ad oggi non vengono erogati trattamenti con ioni He, ma molte facilities sono già predisposte per l'utilizzo di tali fasci come ad esempio i centri di terapia con particelle di HIT, ad Heidelberg (Germania), o di MedAustron, a Vienna (Austria). L'uso di fasci di He, che ha proprietà fisiche e radiobiologiche intermedie tra quelle dei protoni e degli ioni carbonio, consentirà di estendere ulteriormente l'utilizzo della terapia con particelle a nuovi casi e a ottimizzare i trattamenti esistenti, laddove una corretta ottimizzazione tra efficacia radiobiologica e precisione del rilascio di dose ha un impatto significativo sull'aspettativa di vita del paziente, come ad esempio nei tumori pediatrici.
L'interesse per tali misure non è limitato solo all'ambito della terapia con particelle, ma è esteso ad altri settori come la radioprotezione nello spazio. Infatti da molti anni la NASA e altre agenzie stanno portando avanti studi sul rischio da radiazioni per gli astronauti coinvolti nelle missioni nello spazio. I raggi cosmici infatti possiedono una grande componente di nuclei di He di energia leggermente superiore di quella necessaria alla PT. La frammentazione di questi nuclei produce ioni secondari che contribuiscono alla dose impartita agli astronauti (in particolare quelli ad alto Z) , che può avere effetti significativi nelle missioni a lungo raggio (Luna, Marte). La conoscenza dei meccanismi fisici della frammentazione è dunque cruciale per la progettazione dei sistemi di schermo delle radiazioni delle navicelle impiegate nelle missioni.