1 Etude de la fragmentation du 12 C pour la hadronthérapie Laboratoire de physique corpusculaire de Caen Benjamin Braunn

2 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Contexte de l’étude Présentation de l’expérience Résultats obtenus Expérience vs Simulations Modèles nucléaires dans GEANT4 Conclusion et perspectives Sommaire

3 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Différentes armes contre le cancer 55% d’échec 45% guérison Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

4 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Apporter une solution pour les cancers incurables (37%) et résistants aux traitements (18%) Besoin de nouveaux traitements Apport potentiel de la hadronthérapie Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

5 B.Braunn Séminaire CEA Saclay patients (Monde) patients (Monde) La hadronthérapie demande de gros investissements Pas vocation à remplacer les techniques existantes patients /an (France) Hadronthérapie Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

6 B.Braunn Séminaire CEA Saclay *projet de centre de ressource et de recherche Centres de thérapie par ions carbone Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Essais cliniques terminés

7 B.Braunn Séminaire CEA Saclay avantages biologiques RBE de 2, C meilleure efficacité par rapport aux X et protons OER de 1- 2 Résistance des tumeurs hypoxiques (taux d’oxygénation) Intérêt des ions RBE OER Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Idéal : les ions lourds … ?

8 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Intérêt des ions carbone 12 avantages balistiques Pic de Bragg Faible diffusion angulaire Grande précision du dépôt Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Inconvénient : fragmentation 12 C meilleur compromis

9 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Importance de la fragmentation pour la dose simulations GEANT4 : 12 C à E= 290MeV/u dans l’eau Consommation du projectile : 50% à 165 mm Baisse du dépôt d’énergie au pic de bragg. contribution des fragments : Apparition d’une “queue de fragmentation” Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

10 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Cartographie de dose Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Objectif : dose uniforme à ± 3% Calcul de dose biologique SOBP + EBR Nécessité : connaissance de la position et de l’énergie du projectile pour plusieurs énergies incidentes Fragmentation du projectile Nécessite aussi la connaissance de la position et de l’énergie de tous les fragments tumeur ± 3%

11 B.Braunn Séminaire CEA Saclay NIRS-HIMAC (Chiba) GSI (Darmstadt) GANIL (Caen) l’étude de la fragmentation du carbone sur cible épaisse (eau, PMMA) 12 C entre 200 et 400 MeV/u Autour de 100 MeV/u Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Mesures intégrales

12 B.Braunn Séminaire CEA Saclay LPC Caen : G.Ban, E. Batin, B. Braunn, J. Colin, D. Cussol, J.M. Fontbonne, M. Labalme, F.R. Lecolley, C. Pautard. IPN Lyon : M. Chevallier, D. Dauvergne, F. Le Foulher, C. Ray, E. Testa, M. Testa. IPHC Strasbourg : F. Haas, D. Lebhertz, M. Rousseau, M.D. Salsac, L. Stuttge. IRSN : V. Lacoste, F. Trompier. Collaboration GDR MI2B (IN2P3,CEA) Expérience E566 au GANIL Objectif : Obtenir le nombre et l’énergie des fragments émis à un angle donné, et après une épaisseur donnée de matière pour un faisceau de 12 C à 95 MeV/u Information partielle mais essentielle pour la cartographie de dose Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

13 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Montage expérimental – ligne G22 Faisceau 12 C à 95 MeV/u I : 10 4 à 10 8 pps Détecteurs de neutrons Chambre ECLAN Porte-cibles Télescopes à particules chargées détecteurs pour les gamma prompts Monitorage faisceau 3 m Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Axe du faisceau

14 B.Braunn Séminaire CEA Saclay faisceau 5 Télescopes à particules chargées 3 étages : ΔE1-ΔE2-E ΔE1 : Si (80 μm) ΔE2 : Si (500 μm) E : BGO (7,6 cm) : CsI ( 7,5 cm) Dispositif particules chargées Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

15 B.Braunn Séminaire CEA Saclay ° 25° 17° 60° 40° mm Expérience : mesure de fragmentation sur cible épaisse 12 C à 95 MeV/u Cible : PMMA (C 5 H 8 O 2 )n Parcours du carbone = 20 mm Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

16 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Cartes d’identification ΔE - E Sélection graphique + Etalonnage + Spectre en énergie = Taux de production par fragment pour un angle et pour une épaisseur donnés Mesures Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

17 B.Braunn Séminaire CEA Saclay 7° PMMA 5 mm PMMA 15 mm Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives E moyenne = E du projectile Grande E des « légers » Abondance des fragments légers Fragmentation issue du projectile

18 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Objectif atteint –Taux de production et énergie des fragments en fonction : de l’angle l’épaisseur matière Energie moyenne des fragments correspond à l’énergie du projectile Les charges légères diffusent à grand angle et sont les fragments dominants Conclusion données expérimentales Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Utilité : pour les calculs de dose (publication) pour contraindre modèles nucléaires(comparaisons)

19 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Comparaisons Données expérimentales – GEANT4 Modèles nucléaires testés avec GEANT4 : « BIC » = cascade binaire intra-nucléaire (recommandé par G4) « QMD » = dynamique moléculaire quantique Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Objectif : simulation de cartographie de dose précise Question : modèles nucléaires reproduisent les données ?

20 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Projectile Cible b Partie dynamique de la collision Voie d’entrée « BIC » = BIC + Evap « QMD » = QMD + Evap Projectile Cible Quasi-Cible Quasi-projectile Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

21 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Partie statistique de la collision Voie de sortie « BIC »= BIC + Evaporation « QMD »= QMD + Evaporation Quasi-Cible Quasi-projectile Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

22 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie Comparaisons effectuées Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Modèle reproduisant le nombre de particules L’angle d’émission L’énergie

23 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 5 mm 7° 17° 40° Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie BIC Erreur statistique seule Surestimation à grand angle Modèles donnent des résultats différents Non reproduction des données « LPC » ≈ « BIC »

24 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 25 mm 0° 10° 17° 40° Distribution en charge Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie BIC Après le pic de Bragg Mesure à 0°possible Sous-estimation à petit angle Surestimation à grand angle

25 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Prédominance des Z=1 et Z=2 Non reproduction précise des distributions Problème angulaire pour les Z≥3 Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie Mauvaise reproduction du nombre de fragments

26 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Z=1 PMMA 5 mm PMMA 15 mm PMMA 25 mm Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie BIC Bonne reproduction Partie grand angle Meilleure Reproduction de « QMD » à petit angle Manque le point à 0

27 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Z=2 PMMA 5 mm PMMA 15 mm PMMA 25 mm Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie BIC « QMD » meilleur à grand angle Sous-évaluation des taux à petit angle

28 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Distribution en angle Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie Mauvaise reproduction des distributions angulaires « QMD » semble meilleur pour Z=2 Z=1 distribution pas assez piquée à l’avant distribution à grand angle OK Z=2distribution pas assez piquée à l’avant distribution à grand angle OK pour « QMD » Z≥3 Mauvaise forme de la distribution

29 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 5 mm 7° 10° Z=2 20° Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie BIC Energie la plus probable piqué au bon endroit

30 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 25 mm 0° 5° 10° Z=2 Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie BIC Baisse de l’énergie en fonction de l’angle pas reproduit pas les simulation

31 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Distribution en énergie Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie « BIC » : distribution trop piquée sur l’énergie moyenne « QMD » : partie basse énergie du spectre OK sauf à 0° Non reproduction de la perte d’énergie en fonction de l’angle Z=2

32 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Les Modèles de voie d’entrée donnent des résultats différents ne reproduisent pas l’expérience écart d’un facteur 2 à 10 Conclusion modèles de voie d’entrée Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

33 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Test des voies de Sortie Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

34 B.Braunn Séminaire CEA Saclay E*E* résidu t Émission statistique de particules légères « froides » résidu n He p γ Désexcitation statistique séquentielle Gem = émission jusqu’au 28 Mg Evap= émission jusqu’au 4 He Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

35 B.Braunn Séminaire CEA Saclay A<17 et Z<9 E * t Émission statistique simultanée de particules légères « froides » n He p Fermi Break-Up Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

36 B.Braunn Séminaire CEA Saclay E* > 3 MeV t n He p SMM Freeze-out fragment résidu p p n n n t n Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

37 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 15 mm 17° Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

38 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Les modèles de voie de sortie n’ont pas d’effets significatifs. Dans notre cas (petit système faible énergie), la voie d’entrée a plus d’effets que la voie de sortie. Conclusion modèles de voie de sortie Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

39 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Bilan Expérimental –Objectifs atteints Fragments essentiellement issus du projectile Mesures à 0° souhaitables Bilan comparaison –Modèles testés échouent à reproduire les données (Pshenichnov et al. (NIM B 268) arrive à la même conclusion à 200 et 400 MeV/u avec BIC –« QMD » meilleur que « BIC » –Influence faible des modèles de désexcitation statistique (petit système – E < 100 MeV/u) Nécessité de valider un modèle nucléaire fiable –Tests d’autres modèles, d’autres environnements, développement d’un modèle dédié. –Déconvoluer les interactions nucléaires et la propagation de fragments –réaliser des mesures de précision de section efficace de production (cible mince) Conclusion Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Objectif final : dose uniforme à ± 3% Soutenance de thèse prévue : novembre 2010

40 B.Braunn Séminaire CEA Saclay GANIL –C+PMMA (cible épaisse) à 95 MeV/u (2008) (Analyse finalisée) –C+(C,CH 2,O,Al 2 O 3,Au,Ti) à 95 MeV/u ( ) GSI (Projet FIRST) –O+C, C+C, C+Au à 200 et 400 MeV/u (2011) LNS Catane –C+C, C+Au à 32 et 62 MeV/u (analyse en cours 2010) –C+C, C+Au, C+CH 2 à 80 MeV/u ( ) Archade (2015) salle d’expérience dédiée aux mesures physiques et biologiques –Faisceaux de H, He et C entre 80 et 400 MeV/u –Dispositif en développement Perspectives – Expériences Sections efficaces Effort Européen Complémentarité des données Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

41 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Merci ! LPC Caen : G.Ban, E. Batin, B. Braunn, J. Colin, C. Courtois, D. Cussol, J.M. Fontbonne, M. Labalme, F.R. Lecolley, C. Pautard. IPN Lyon : M. Chevallier, D. Dauvergne, F. Le Foulher, C. Ray, E. Testa, M. Testa. IPHC Strasbourg : F. Haas, D. Lebhertz, M. Rousseau, M.D. Salsac, L. Stuttge.

42 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Taux de production mesurés Données en cours de publication

43 B.Braunn Séminaire CEA Saclay « Spectateurs » P « spectateurs » C Zone participante 1 2 Nucléons projectile + « spectateurs » C 3 « spectateurs » P + Nucléons cible Quasi projectile Quasi cible Particules émises Cascade binaire noyau - noyau

44 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Nucléons = fonctions d’onde gaussienne Interaction effective = Coulomb+ Skyrme+Symétrie Collision à deux corps Nucléon-Nucléon (analogue à BUU) (J)QMD

45 B.Braunn Séminaire CEA Saclay BGOCsI Données en cours de publication

46 B.Braunn Séminaire CEA Saclay LPC

47 B.Braunn Séminaire CEA Saclay b Une collision nucléaire AVANTAPRES Projectile Cible Fragments QMD = QMD+ GEM QGSP= BIC+EVAP

48 B.Braunn Séminaire CEA Saclay « QGSP_BIC_EMY »

49 B.Braunn Séminaire CEA Saclay « QMD »

50 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Modifications du dépôts énergie – nature de l’ion

51 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 15 mm 7° 10° 17° 40° Distribution en charge

52 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 15 mm 7° 10° Z=2 Distribution en énergie

53 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 15 mm 17° Z=1 Z=2

54 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 15 mm 17° Z=1 Distributions en charge Distributions angulaires Distributions isotopiques Distributions en énergie

55 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Article en cours de rédaction Résultats : mesure de fragmentation sur cible épaisse Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

56 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 15 mm 17° 40° Z=2 Distributions en charge Distributions angulaires Distributions isotopiques Distributions en énergie

57 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Non reproduction des taux de production des isotopes Présence d’isotopes « exotiques » Distributions isotopiques Distributions en charge Distributions angulaires Distributions isotopiques Distributions en énergie

58 B.Braunn Séminaire CEA Saclay PMMA 5 mm 7° 10° 17° 20° 40° Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie BIC Erreur statistique seule Surestimation à grand angle Modèles donnent des résultats différents Non reproduction des données « LPC » ≈ « BIC »

59 B.Braunn Séminaire CEA Saclay Z=4 PMMA 5 mm PMMA 15 mm PMMA 25 mm Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie BIC Mauvaise reproduction des données