Procesul de anihilare a antielectronilor cu electronii este folosit pentru identificarea cu succes a tumorilor. Metoda, denumită tomografie cu emisie de pozitroni (particulele de antimaterie corespunzătoare electronilor, adică antielectroni), folosește instrumente care provin direct din fizica particulelor și fizica nucleară: dezintegrarea elementelor radioactive cu emisie de pozitroni, anihilarea acestora în țesuturi, și detectori de fotoni.
Cercetarea fundamentală este motivată de curiozitate, de dorința de a cunoaște mai bine Universul din care facem parte și, implicit, pe noi înșine. În numerele trecute a fost publicată o serie de articole intitulată Universul: rețetă și ingrediente, scrisă de Adrian Buzatu, serie care va continua și va fi desigur îmbogățită. Articolul de față introduce una din aplicațiile recente ale cercetării fundamentale în medicină. Este vorba de o aplicație care folosește tehnici avansate ale fizicii particulelor elementare (antielectronii) și ale fizicii nucleare (elemente radioactive), combinate cu acceleratoare de particule (ciclotroane) și cu detectori de fotoni (scanner).
Antielectronii, numiți și pozitroni, reprezintă antiparticulele electronilor. Au sarcina electrică pozitivă și masa egală cu cea a electronilor. Au fost descoperiți în 1932 de către Carl D. Andersen, în SUA, în radiațiile cosmice care lovesc atmosfera Pământului și de atunci au fost studiați și folosiți în nenumărate experimente de fizică fundamentală. La întâlnirea pozitronilor cu electronii au loc procese de anihilare – procese în urma cărora energia celor două particule se poate transforma, prin conservare, în alte particule sau în fotoni (particule fundamentale care compun, de exemplu, lumina). Există acceleratoare (precum DAFNE de la LNF-INFN, Frascati, Roma, Italia) unde fascicule de electroni se ciocnesc cap în cap (head-on collisions) cu fascicule de pozitroni pentru a crea, în urma anihilării, particule denumite kaoni, care conțin un quark „straniu” (în engleză strange).
Anihilarea pozitronilor cu electronii este însă folosită și în medicină, în așa-numita tehnică a tomografiei cu emisie de pozitroni (Positron Emission Tomography, PET), în special pentru localizarea tumorilor sau verificarea eficienței metodelor de tratament.
Metoda consistă de obicei în injectarea endovenoasă (sau înghițirea, sau chiar și inhalarea) a unei substanțe active din punct de vedere metabolic, de exemplu o substanță asemănătoare cu glucoza, care conține un element chimic radioactiv ce emite pozitroni în urma dezintegrării și care are o viață medie relativ scurtă (de ordinul zecilor de minute), precum carbon C11 sau fluor F18.
Aceste elemente radioactive (radioizotopi), având în vedere timpul lor de viață relativ scurt, sunt produse la ciclotroane aflate în apropierea spitalelor în care se aplică tehnicile PET. Ciclotroanele sunt de fapt acceleratoare în cadrul cărora fascicule de protoni accelerate bombardează diverse ținte, transformându-le în elemente radioactive care sunt folosite în cadrul tehnicii PET.
Substanța injectată în pacient ajunge în țesuturile care au nevoie de ea, în diverse concentrații. În acest fel, țesuturile tumorale, care se caracterizează printr-un metabolism accentuat, având nevoie de mai multă substanță injectată, ajung să aibă o concentrație mai mare din acest element radioactiv decât zonele neafectate. În țesuturi substanța radioactivă emite pozitroni, care se anihilează practic imediat cu electronii prezenți în atomii țesuturilor, emițând în urma anihilării doi fotoni în direcții opuse. Procesul despre care vorbim este: electron + pozitron = 2 fotoni.
Pacientul este poziționat într-un scanner, un aparat care măsoară fotonii emiși în urma anihilării (și care este de fapt un detector de particule precum la LHC, numai că într-o variantă foarte, foarte simplificată, detectând doar fotoni). Din măsurarea și analiza acestor fotoni se poate reconstrui regiunea din care au fost emiși, cu o precizie de ordinul milimetrilor. Cu alte cuvinte, se poate practic efectua o „fotografie” a tumorii (acea zonă care prezintă o anihilare mai intensă).
Această tehnică oferă, pe lângă posibilitatea de a stabili dimensiunile tumorii, și pe cea de a determina activitatea sa metabolică, ajutând astfel medicii să stabilească cea mai adecvată metodă de tratament. Tehnicile PET sunt folosite în medicină și pentru măsurarea fluxului de sânge sau a modului în care oxigenul este folosit de către organism.
Aplicațiile fizicii fundamentale în viața de zi cu zi sunt din ce în ce mai importante și contribuie la îmbunătățirea calității vieții. Am exemplificat în articolul de față o tehnică modernă pentru diagnosticarea tumorilor. Există însă multe alte metode – asupra cărora vom reveni – atât în medicină cât și în alte domenii (artă, cercetări geologice, noi surse de energie, comunicații, siguranță, tehnici de identificare a explozibilelor și altele). Fizica este din ce în ce mai prezentă în viața tuturor, chiar și atunci când nu suntem deloc conștienți de prezența ei.
