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Alla scoperta della iò che alcuni gettano via, può essere un tesoro per della Terra, in miniere o tunnel in giro per il mondo, per altri. Per un fisico, ciò che viene scartato è il «fon- sfuggire al «rumore» costituito dalla continua pioggia di C do», qualche reazione indesiderata che si verifica a raggi cosmici. Ma, per quanto si sia andati in profondità, causa di un processo banale e ben noto. Il tesoro è il «segna- questi impianti sono sempre risultati esposti alla penetrazio- massa del neutrino le», una reazione che si spera possa offrire nuove conoscen- ne dei neutrini prodotti dai raggi cosmici. ze sul modo in cui l'universo funziona. Nel caso in questio- I primi rivelatori per il decadimento del protone, in fun- ne: durante gli ultimi vent'anni, molti gruppi si sono messi zione dal 1980 al 1995, non mostrarono alcun segnale, nes- alla ricerca del decadimento del protone, un segnale estre- suna indicazione sul decadimento del protone, ma strada fa- mamente raro (ammesso che si verifichi davvero) sepolto in cendo i ricercatori si resero conto che il fondo di neutrini, un fondo di reazioni causate da quelle particelle elusive che prima supposto banale, in realtà non era così semplice. Uno prendono il nome di neutrini. di questi impianti sperimentali, Kamiokande (da Kamioka Un gigantesco rivelatore situato nel cuore del Monte Il protone, uno dei principali costituenti degli atomi, Nucleon Decay Experiment), è stato realizzato in Giappone, sembra essere «immortale». Il suo decadimento costi- a Kamioka, una città mineraria a circa 250 chilometri da Ikenoyama, in Giappone, ha mostrato le metamorfosi del tuirebbe un indizio della validità delle grandi teorie Tokyo. I ricercatori di Kamiokande e dell'impianto speri- unificate che molti ritengono stiano oltre il modello mentale IMB, situato in una miniera di salgemma presso neutrino in volo, avvalorando fortemente l'ipotesi che queste standard della fisica delle particelle, teoria che ha ri- Cleveland, in Ohio, hanno utilizzato rivelatori sensibili per scosso grandi successi. Enormi rivelatori di decadi- scrutare giganteschi contenitori di acqua ultrapura, aspet- particelle fantasma siano dotate di massa mento del protone sono stati posti nelle viscere tando il bagliore prodotto dal decadimento di un protone. ,oPoir di Edward Ke ns, Takaaki Kaj4ta e Yoji Totsu a 1.1. i i - Il rivelatore SuperKamiokande è situato :Úita- h-i -m - Zn i.;4.1.,il".3: in una miniera attiva di zinco all'inte ...... ptvi,...141. , del Monte Ikenoyama.11 suo serbatoio -Tu.., -c..,..1 .•..... '.''.'''- t.:.. ..:..:4.:..4-.41.,,=,4„ 41,.../3..,.*1242.121..-.z,2...t,. anceclliaatieo dini oascsqiduaab uillter caopnutriaen, tea 5n0to 0 t0r0a stopna-- rente che la luce deve attraversare circa 70 ..„Trz.o.i~.-1:21:21,4nnuttnbier.: , .~.2.2.1.1,ír-.~4~.4**4 ****** ,,,..,.',,1 -* metri prima di perdere metà della sua in- - , .per2.34„.:Zollivis*c~1~.~».-** tensità (per una tipica piscina bastano po- r,.*.o"L:,TA.11.k ..,m, I,,4,,n,i.,,,. t,..I.e~r.M :u. 2l.ee2 14., ..Ò ;:+ ": 441g..:.,r . :4: AVM nIn 11I,4I,n.I11.A, .-I•l. bIt»I .tn.. lqf.if ,."4Z..,...: ,h: .*.-.pI«.I, ..•w„4„1„.,„,,er- chi metri). L'acqua è monitorata da "..*...0".-..-.-,4..1.-tteitiZaTrt4„‘-.n..Tn.t:r vzqa-at,.•W-•--h Iirri4to4 .*.tf2tt4P,,,,,r",4,, p1r1o 0n0o0 p taurbeit if,o ptoamviomlteinptloic ea tsoorfif ictthoe. rOicgon-i - - - ..,"..'..".'.-.#.."..r.n.::^",1".....1:-.• - - '"'''' tubo è costituito da un bulbo di vetro sot- to vuoto, soffiato a mano, di circa mezzo metro di diametro, rivestito all'interno da un sottile strato di metallo alcalino. I foto- moltiplicatori registrano i lampi conici della luce Cerenkov, che segnala ognuna delle rare collisioni tra un neutrino ad alta energia e un nucleo atomico nell'acqua. Tecnici su gommoni gonfiabili puliscono i bulbi quando il serbatoio viene riempito. LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 LE SCIENZE 3741 ottobre 1999 - Questo evento risulterebbe nasco- gire soltanto con un nucleo e, se ha ab- sto, come il classico ago nel pagliaio, in bastanza energia, produce una parti- mezzo a un migliaio di lampi analoghi cella tau. Un muone è circa 200 volte causati dalle interazioni dei neutrini più pesante di un elettrone; tau circa con i nuclei degli atomi dell'acqua. An- 3500 volte. Solo una piccola percen- che se non è stato osservato nessun de- tuale dei neutrini atmosferici è costitui- cadimento di protoni, l'analisi di que- ta da neutrini tau: così la maggior par- ste 1000 reazioni ha rivelato un vero NEUTRINO MUONICO te di questi passa attraverso Super-K tesoro, allettante evidenza che i neutri- senza essere rivelata. ni sono sorprendentemente incostanti, MUONE Uno degli interrogativi che si pongo- mutando in volo da un tipo all'altro. no gli sperimentatori è: «Quanti?». Se confermato, questo fenomeno risul- Abbiamo costruito un magnifico rive- terebbe altrettanto interessante e signi- latore per studiare i neutrini, e il primo ficativo del decadimento del protone. compito è quello di contare quanti ne ATMOSFERA vediamo. Strettamente correlata è la domanda: «Quanti ce ne aspettia- Le sfuggenti particelle mo?». Per rispondere, occorre analiz- di Fermi zare come i neutrini si producono. Super-K misura i neutrini atmosferi- I neutrini sono affascinanti particelle ci che nascono nello sciame di particel- fantasma. Ogni secondo, 60 miliardi le che si genera quando un raggio co- di neutrini, provenienti soprattutto dal smico colpisce gli strati alti dell'atmo- Sole, attraversano ogni centimetro sfera. I proiettili in arrivo (i raggi co- quadrato del nostro corpo. Ma poiché smici primari) sono di solito protoni, essi interagiscono raramente con altre NEUTRINO ELETTRONICO con un piccolo numero di nuclei più particelle, di solito tutti i 60 miliardi ci pesanti, come elio o ferro. Ogni colli- attraversano senza dare di gomito a un sione produce una pioggia di particelle solo atomo. In effetti, si potrebbe in- secondarie, specialmente pioni e muo- viare un raggio di neutrini attraverso ni, che decadono durante il loro breve un'ipotetica lastra di piombo spessa un volo attraverso l'aria, generando neu- anno luce, e la maggior parte di essi trini. Conosciamo approssimativamen- Raggi cosmici di alta energia che colpiscono riemergerebbe indenne dall'altra parte. te quanti raggi cosmici colpiscono l'at- un nucleo nell'atmosfera (qui sotto) generano RAGGIO Un rivelatore come quello di Ka- mosfera ogni secondo, e quanti pioni e COSMICO una pioggia di particelle, soprattutto pioni. La miokande cattura solo una minima muoni si formano in ogni collisione; sequenza di decadimento del pione produce frazione dei neutrini che ogni anno lo così possiamo fare previsioni sul nume- due neutrini muonici per ogni neutrino elettro- attraversano. Coni di luce Cerenkov vengono emessi quando un neutrino di elevata energia colpisce ro di neutrini che dovrebbe prodursi. nico. Un'identica frequenza di neutrini do- I neutrini si presentano in tre «sapo- un nucleo e produce una particella carica. Un neutrino muonico (in alto) dà origine a vrebbe essere vista da direzioni opposte (qui ri», corrispondenti alle loro tre parti- un muone, che percorre circa un metro e proietta un nitido anello di luce sui rivelatori. Giocare con le frazioni sopra) poiché in entrambi i casi risultano da celle cariche corrispondenti secondo il Un elettrone, prodotto da un neutrino elettronico (in basso), genera elettroni e positro- raggi cosmici che colpiscono l'atmosfera con modello standard: l'elettrone, il muone ni, ciascuno con il proprio piccolo cono Cerenkov, con il risultato di un anello sfocato Purtroppo questa stima ha un mar- lo stesso angolo di incidenza. La misura di e la particella tau. Un'interazione di un di luce. I punti verdi indicano la luce intercettata nello stesso breve intervallo di tempo. gine di errore del 25 per cento, ma pos- NUCLEO questi rapporti risulta invalidata quando i ATMOSFERICO neutrino elettronico con un nucleo ato- siamo ricorrere a un trucco: spesso il neutrini muonici, viaggiando per lun- mico può produrre un elettrone; un rapporto tra due quantità può essere ghe distanze, hanno il tempo neutrino muonico genera un muone; velatori sensibili alla luce è orientata luce Cerenkov forma un cono lungo il determinato con precisione maggiore di mutare sapore. un neutrino tau produce una particella verso il centro di 50 000 tonnellate di percorso di tali particelle. rispetto alle singole quantità. Nel caso tau. Per settant'anni dalla prima teoriz- acqua i cui protoni possono decadere o Nel Super-K, la particella carica ge- di Super-K, la chiave sta nel decadi- PI zazione dell'esistenza dei neutrini, i fi- essere colpiti da un neutrino. In en- neralmente viaggia solo per pochi me- mento in sequenza di un pione in un sici hanno supposto che siano privi di trambi i casi, la reazione crea particelle tri e il cono Cerenkov proietta un anel- muone e un neutrino muonico, seguito massa. Ma se possono mutare da un individuabili grazie a un lampo lumi- lo di luce su una parete del rivelatore dal decadimento del muone in un elet- sapore all'altro, la teoria quantistica noso noto come «luce Cerenkov», sco- di protoni. Dimensione, forma e inten- trone, un neutrino elettronico e un al- ELETTRONE indica che molto probabilmente essi perto da Pavel A. Cerenkov nel 1934. sità di questo anello rivelano le pro- tro neutrino muonico. Indipendente- devono avere una massa. E, in questo Come un aereo che vola più rapida- prietà della particella carica, che a sua mente da quanti raggi cosmici stanno caso, queste eteree particelle potrebbe- mente della velocità del suono produce volta ci dà informazioni sul neutrino cadendo nell'atmosfera terrestre, o da 1 NEUTRINO ro, nel loro insieme, pesare più di tutte una violenta onda sonora, una parti- che l'ha prodotta. Si possono distin- quanti pioni producono, dovrebbero ELETTRONICO le stelle dell'universo. cella elettricamente carica emette luce guere facilmente i lampi Cerenkov esserci circa due neutrini muonici per Cerenkov quando supera la velocità prodotti dagli elettroni rispetto a quelli ogni neutrino elettronico. Il calcolo è in della luce caratteristica del mezzo in dei muoni: gli elettroni generano una realtà più complicato, ed è effettuato Costruire la trappola cui si sta muovendo. Questo moto non pioggia di particelle, producendo un tramite simulazioni al computer della più grande viola la teoria della relatività di Ein- anello sfocato del tutto diverso dal ni- pioggia di raggi cosmici, ma il rappor- stein, per la quale la velocità critica è c, tido cerchio di un muone. Grazie alla to finale calcolato ha una precisione di Come spesso accade in fisica delle la velocità della luce nel vuoto. Nel- luce Cerenkov si possono anche misu- circa il cinque per cento, fornendo una particelle, per fare progressi occorre l'acqua, la luce si propaga a una velo- rare energia e direzione dell'elettrone o stima molto migliore di quella ricava- costruire una macchina più grande. cità inferiore del 25 per cento rispetto del muone, che sono una buona ap- bile dal numero delle singole particelle. SuperKamiokande, in breve Super-K, a c, ma altre particelle di elevata ener- prossimazione di quelle del neutrino. Dopo aver contato neutrini per due ha mutuato lo stesso progetto di Ka- gia possono anche viaggiare a una ve- Super-K non è in grado di identifica- anni, il gruppo Super-K ha scoperto che miokande, ma è stato costruito in scala locità prossima a c, ovvero a una velo- re facilmente il terzo tipo di neutrino, il il rapporto tra neutrini muonici ed elet- -o dieci volte maggiore. Una schiera di ri- cità maggiore di quella della luce. La neutrino tau. Tale neutrino può intera- tronici è di circa 1,3 a 1 rispetto al pre- 38 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 39 200 il volume; in fisica quantistica rappre- Come le onde quantistiche fanno oscillare un neutrino - VALORI PREVISTI SENZA OSCILLAZIONE DEL NEUTRINO senta la probabilità di rivelare un tipo VALORI PREVISTI CON OSCILLAZIONE DEL NEUTRINO o un altro di neutrino in oscillazione. IL SAPORE RIVELATO • MISURE EFFETTUATE CON SUPERKAMIOKANDE All'inizio il neutrino appare come neu- DIPENDE trino muonico con una probabilità del DALL'INTERFERENZA 150 NEUTRINO MUONICO PRODOTTO DUE PACCHETTI D'ONDA DI MASSA DIVERSA 100 per cento. Percorsa una certa di- NEGLI ALTI STRATI DELL'ATMOSFERA VIAGGIANO A DIVERSE VELOCITÀ stanza sembra un neutrino tau con il MUONE 100 per cento di probabilità. In altre PIONE posizioni può essere l'uno o l'altro, in (DECADIMENTO) ••• •••• OPPURE modo casuale. 100 Questa oscillazione pare un compor- MUONE tamento bizzarro per una particella, ma un'altra particella, meno enigmati- LA FIGURA DI INTERFERENZA DEI PACCHETTI D'ONDA DETERMINA LA PROBABILFTA DEL SAPORE DEL NEUTRINO ENERGIA NON 4-1 ca, compie contorsioni simili: il fotone, M10U0%ON NIECUOT RINO 0%M NUEOUNTIRCION O 100% NMEUUOTRNIINCOO PERS GUEFNFIECRIAENRET ETAU 50 slae nptaarrtsici eilnl at udtetlal au lnuac ev.a Lriae tlàu cdei ppuoòla prirze-- zazioni. Queste non corrispondono a masse differenti (i fotoni sono privi di massa), ma in certi materiali ottica- 0% NEUTRINO 100% NEUT RINO 0°/0 NEUTRINO o o mente attivi la luce con polarizzazione TAU TAU TAU circolare sinistra si muove più veloce- ANGOLO DI ARRIVO E DISTANZA PERCORSA DAL NEUTRINO mente di quella con polarizzazione cir- uando un pione decade, produce un neutrino. Secon- stici, è una questione di probabilità, che aumentano note- —311n colare destra. Un fotone con polarizza- Q do la meccanica quantistica, il neutrino appare come volmente favorendo un neutrino muonico vicino al punto zione verticale è costituito da una so- una sovrapposizione di due pacchetti d'onda di masse di- in cui viene prodotto. Ma le probabilità oscillano avanti e vrapposizione delle due polarizzazioni verse (in viola e in verde; in alto al centro). I pacchetti d'onda indietro, favorendo il neutrino tau e poi di nuovo il neutri- CHI1L2O 8M0E0TRI CHIL6O4M00ETRI CHIL5O0M0ETRI CHILO3M0ETRI CHILO1M5ETRI circolari, e quando attraversa un mate- si propagano a differenti velocità, con il pacchetto d'onda no muonico a distanze regolari. Quando il neutrino final- riale otticamente attivo la sua polariz- più leggero che precede quello più pesante. Procedendo, mente interagisce con il rivelatore (in alto a destra), il dado zazione ruota (ovvero, oscilla) fra la di- le onde interferiscono, e la figura di interferenza determi- quantistico viene lanciato. Se il risultato è un neutrino Il numero di neutrini muonici ad alta energia osservati da Super-K su differenti traiet- rezione verticale e quella orizzontale. na quale sapore di neutrino - muonico (in rosso) oppure muonico, viene prodotto un muone. Se la sorte favorisce torie concorda con i valori attesi considerando le oscillazioni del neutrino (in verde) e Per le oscillazioni dei neutrini come tau (in blu) - sarà più probabile riscontrare in ogni punto un neutrino tau, e il neutrino non ha abbastanza energia non concorda con i valori previsti in assenza di oscillazioni (in azzurro). I neutrini di- quelle che si osservano al Super-K, non lungo la traiettoria (in basso). Come tutti gli effetti quanti- per creare una particella tau, Super-K non intercetta nulla. retti verso l'alto (riportati sulla sinistra) hanno compiuto un percorso abbastanza lun- serve nessun materiale «otticamente go perché una metà di essi abbia potuto cambiare sapore e sfuggire all'intercettazione. attivo»; una differenza di massa sufficiente tra le due componenti dei neutrini provocherà oscillazioni di sapore al visto rapporto 2 a 1. Anche ampliando stribuzione delle particelle in arrivo. vano dopo aver attraversato tutta la zione che i neutrini cambiano identità. bero mutare sapore? La fisica quanti- passaggio del neutrino attraverso aria, l'ipotesi sul flusso di neutrini per tener Inoltre i raggi cosmici che sfiorano tan- Terra. Per sfruttare questa simmetria si Inoltre, fornisce una chiave per capire stica descrive una particella in moto solida roccia o nel vuoto assoluto. conto di come interagiscono con i nu- genzialmente la Terra formano piogge selezionano neutrini con energia abba- la natura delle metamorfosi. I neutrini nello spazio come un'onda: oltre a pro- Quando un neutrino arriva al Super-K, clei e di come il rivelatore risponde agli che non scendono in profondità nell'at- stanza alta (in modo che i raggi cosmi- muonici diretti verso l'alto non posso- prietà quali massa e carica, la particella l'entità dell'oscillazione dipende dalla eventi, un rapporto così basso non si mosfera, e queste possono svilupparsi ci da cui provengono non siano stati no trasformarsi in neutrini elettronici, ha una lunghezza d'onda, può subire sua energia e dalla distanza percorsa spiega a meno che i neutrini non si tra- diversamente rispetto a quelle che arri- deflessi dal campo magnetico terrestre) poiché non si rileva un'eccedenza di diffrazione e così via. Inoltre una parti- dal momento in cui si è formato. I neu- sformino da un tipo all'altro. vano secondo traiettorie più dirette. e quindi si divide il numero di neutrini neutrini elettronici in questa direzione. cella può essere rappresentata dalla so- trini muonici diretti verso il basso, che Possiamo applicare ancora il trucco Ma la geometria ci dà una mano: se diretti verso l'alto per il numero di Rimangono i neutrini tau. I neutrini vrapposizione di due onde. Supponia- di solito arrivano dopo aver percorso del rapporto per verificare la conclusio- guardiamo il cielo da una certa angola- quelli diretti verso il basso. Il rapporto muonici che si trasformano in neutrini mo ora che le due onde corrispondano poche decine di chilometri, hanno ne. L'idea è di domandarsi quanti neu- tura rispetto alla verticale e poi verso dovrebbe essere esattamente pari a 1, tau attraversano Super-K senza intera- a masse leggermente diverse. In questo subìto solo una piccola frazione del ci- trini dovrebbero arrivare da ogni possi- terra con la stessa angolatura, potrem- se nessun neutrino cambia sapore. zioni, senza essere intercettati. caso, quando compiono un lungo per- clo di oscillazione; così il loro sapore bile direzione. I raggi cosmici primari mo rivelare lo stesso numero di neutri- Abbiamo osservato essenzialmente corso, l'onda «più leggera» precede raramente è variato, e siamo pressoché arrivano all'atmosfera terrestre in ni in arrivo da ogni direzione. I due in- lo stesso numero di neutrini elettronici Sapore variabile quella più pesante, e le onde interferi- certi di rivelare il loro sapore originale. quantità simile da tutte le direzioni, siemi di neutrini sono entrambi pro- di alta energia nelle due direzioni, co- scono in modo da generare fluttuazioni I neutrini muonici diretti verso l'alto, con solo due fattori che intaccano que- dotti da raggi cosmici che colpiscono me ci attendevamo, ma i neutrini muo- I due rapporti considerati costitui- nella traiettoria. In ambito musicale si prodotti a migliaia di chilometri, han- sta uniformità. Il primo è il campo ma- l'atmosfera con la stessa inclinazione; nici diretti verso l'alto erano solo la scono un buon indizio del fatto che i verifica un fenomeno analogo, quando no avuto così tante oscillazioni che in gnetico terrestre che deflette i raggi co- ma in un caso le collisioni provengono metà di quelli diretti verso il basso. La neutrini muonici si trasformino in neu- due note sono quasi identiche. media solo una metà di essi può essere smici di bassa energia, alterando la di- dall'alto, mentre nell'altro i raggi arri- scoperta costituisce la seconda indica- trini tau; ma perché i neutrini dovreb- In musica questo effetto fa oscillare rivelata come neutrini muonici. L'altra • Wolfgang Pauli, per non compromettere Enrico Fermi formula la teoria Frederidc Reines (al centro) A Brookhaven,i1 primo Raymond Davis, Jr., misura Vengono scoperti Al CERN vengono scoperti Astronomia e neutrini:gli esperimenti La velocità di decadimento Super-K raccoglie prove la validità del principio di conservazione del decadimento beta e Clyde Cowen acceleratore di fasci di neutrini per la prima volta neutrini provenieo il leptone tau i bosoni WeZ": sul decadimento del protone di Z° è misurata dell'evidenza dell'energia, ipotizza l'esistenza tenendo conto osservano per la prima volta evidenzia la distinzione dal Sole, impiegando un rivelatore e il quark b, rivelando sono i vettori dell'interazione debole, negli impianti di IMB e Kamiokande con precisione allo SLAC che i neutrini oscillano, di una fantomatica particella della particella di Pauli, il neutrino utilizzando tra neutrini elettronici costituito da 600 tonnellate di liquick una terza generazione che interviene rivelanol 9 neutrini generati e al CERN, mostrando che analizzando neutrini a cui poter associare l'energia mancante e la battezza «neutrino». il reattore nudeare e neutrini muonici. in una miniera a Homestake, di quark e leptoni. nelle reazioni dei neutrini. dalla Supemova 1987A esistono solo tre generazioni presenti nell'atmosfera. in certi processi di decadimento radioattivo. di Savannah River. in Sud Dakota. nella Grande Nube di Magellano. attive di neutrini. 40 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 LE SCIENZE 374/ otto b re 1999 41 metà attraversa Super-K sotto forma muonici di alta energia generano muo- ta i nostri esperimenti alla sola misura di neutrini tau, non rivelabili. ni di alta energia, che possono attra- della differenza del quadrato delle mas- La descrizione è un po' grossolana, versare molti metri di roccia e raggiun- se tra i due componenti dei neutrini, ma le considerazioni basate sul rappor- gere il nostro rivelatore. Noi contiamo perché è questa a determinare la lun- to tra sapori e sull'andamento degli tali muoni come neutrini diretti verso ghezza d'onda dell'oscillazione. Non è eventi legati alla direzione sono così l'alto (quelli verso il basso sono ma- invece sensibile alle singole masse. I da- convincenti che l'oscillazione del neu- scherati dal fondo dei muoni presenti ti di Super-K mostrano una differenza trino è ora largamente riconosciuta co- nella radiazione cosmica che penetra il del quadrato delle masse compresa tra me la più probabile spiegazione dei da- Monte Ikenoyama dall'alto). 0,001 e 0,01 elettronvolt (eV) quadra- ti in nostro possesso. Abbiamo anche Siamo in grado di contare i muoni ti. Noti i tracciati determinati dalle effettuato studi più dettagliati sul mo- diretti verso l'alto che seguono traietto- masse delle altre particelle, è probabile do in cui il numero di neutrini muonici rie comprese tra quelle verticali e quelle che un neutrino sia molto più leggero varia in funzione dell'energia e dell'in- quasi orizzontali. Questi cammini sono dell'altro, e che la massa del più pesan- clinazione della traiettoria di arrivo. legati alle distanze percorse dai neutrini te sia compresa tra 0,03 e 0,1 eV. Confrontiamo il numero misurato con (dalla produzione nell'atmosfera alla Il fatto che il neutrino sia dotato di quello atteso su un largo spettro di creazione di un muone nei pressi di Su- massa non è in contrasto con il model- possibili tipi di oscillazione (compresa per-K), comprese tra 500 chilometri (la lo standard. La differenza tra le masse l'assenza di oscillazioni). I dati misurati distanza dal margine esterno dell'at- implica che la creazione di un neutrino sembrano molto diversi da quelli attesi mosfera guardando in direzione oriz- richiede l'introduzione di un insieme di in assenza di oscillazioni ma concorda- zontale) e 13 000 chilometri (il diame- cosiddetti «parametri di mescolamen- no bene con il modello del neutrino tro della Terra guardando verso il bas- to». Una piccola quantità di questi pa- oscillante per certi valori di differenza so verticalmente). I numeri di neutrini rametri è stata osservata a proposito di massa e altri tipi di parametri. muonici a bassa energia che percorro- dei quark, ma secondo i nostri dati i Con circa 5000 eventi analizzati nei no lunghe distanze si esauriscono pri- neutrini richiedono un grado maggiore nostri primi due anni di esperimenti, ma rispetto a quelli a energia più alta di mescolamento; un dato di cui qual- abbiamo eliminato ogni sospetto che i che percorrono distanze brevi. Questo siasi nuova teoria deve tenere conto. numeri anomali dei neutrini atmosferi- comportamento è proprio quello che ci In secondo luogo, una massa di 0,05 ci possano essere solo una combinazio- aspettiamo da oscillazioni, e un'attenta eV è veramente prossima allo zero, se ne statistica. Ma è importante confer- analisi porta a parametri per i neutrini paragonata con le masse di altre parti- mare i risultati osservando le stesse simili a quelle del nostro primo studio. celle. (La più leggera è l'elettrone, che oscillazioni dei neutrini muonici con Se consideriamo i tre neutrini noti, i ha una massa di 511 000 eV.) Così ri- altri esperimenti o altre tecniche. Rive- dati ci dicono che i neutrini muonici si sulta comprensibile che per lungo tem- latori diversi nel Minnesota e nei La- trasformano in neutrini tau. Secondo la po si sia pensato che i neutrini fossero boratori INFN del Gran Sasso hanno teoria quantistica, la ragione dell'oscil- privi di massa. Ma i teorici che cercano fornito qualche verifica, ma il basso lazione è quasi certamente il fatto che di costruire una teoria unificata, che numero degli eventi misurati non offre questi neutrini sono dotati di massa. ambisce a combinare in modo elegante la stessa affidabilità a livello statistico. Purtroppo, la teoria quantistica limi- tutte le forze, gravità esclusa, a energie Prove e conferme Ulteriori conferme derivano da studi su un tipo diverso di interazioni dei neutrini: le loro collisioni con nuclei nelle rocce intorno al rivelatore. I neutrini elettronici producono di nuovo elettroni e successive piogge di particelle, ma queste vengono assorbite dalle rocce e non raggiungono mai la grotta dove è alloggiato Super-K. I neutrini In Europa, Giappone e Stati Uniti sono state programmate ricerche sulle oscillazioni dei neutrini su lunghe distanze. Fasci di neutrini prodotti negli acceleratori verranno intercettati a distanze di centinaia di chilometri. Gli esperimenti dovrebbero confermare il fenomeno dell'o- scillazione e permettere di misurarne con precisione le costanti. RIVELATORE VICINO h RIVELATORE SUPER .................................. I ...........N.E..U.T..R.I.N.I. .M.U..O..N.I.C.I...................................... 250 CHILOMETRI ACCELERATORE KEK 42 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 e potrebbero avere una massa circa Altri misteri, altre possibilità uguale a quella complessiva di tutte le stelle. Essi potrebbero aver influenzato sono altre indicazioni sulla massa del neutrino, che i fisici delle particelle la formazione di grandi strutture astro- stanno cercando di mettere nel giusto ordine. Per oltre 30 anni, gli scienzia- nomiche, come gli ammassi di galassie. ti hanno catturato alcuni dei neutrini prodotti dai processi di fusione nucleare Infine, i nostri dati hanno un'impli- che avvengono nel Sole. Questi esperimenti hanno sempre misurato un numero cazione immediata per due esperimenti di neutrini inferiore a quello previsto dai migliori modelli del Sole. Anche Super- di prossima effettuazione. Sulla base K ha misurato questi neutrini, trovando solo il 50 per cento di quelli previsti. Stia- dei suggerimenti forniti dai primi rive- mo studiando questi dati, sperando di trovare una prova delle oscillazioni dei latori, molti fisici hanno deciso di non neutrini. In maggio il Sudbury Neutrino Observatory in Ontario, costituito da affidarsi più soltanto ai neutrini cosmi- 1000 tonnellate di acqua pesante, ha intercettato i suoi primi neutrini. Altri rive- ci, disponibili ma incontrollabili, ma di latori entreranno presto in funzione. crearli mediante acceleratori ad alta Un esperimento effettuato al Los Alamos National Laboratory fornisce ulterio- energia. L'idea, perciò, è quella di pun- ri indizi dell'oscillazione: esso intercetta neutrini elettronici provenienti da una tare fasci di neutrini generati artificial- sorgente che dovrebbe produrre solo neutrini muonici. Il segnale, tuttavia, è me- mente (il cui numero è valutabile con scolato con processi di fondo. Il risultato non è stato confermato in modo indi- maggiore precisione) verso rivelatori pendente, ma alcuni esperimenti effettueranno controlli nei prossimi anni. distanti centinaia di chilometri. Uno di Oscillazioni tra neutrini muonici e tau dovute alla massa sembrano la spiega- questi esperimenti dovrebbe vedere i zione più naturale dei dati di Super-K, ma ci sono altre possibilità. Intanto, lo sce- fasci di neutrini prodotti dal LEP del nario più completo comprende tutti e tre i sapori dei neutrini, e i dati di Super-K CERN inviati verso il grande rivelatore possono applicarsi ad alcune oscillazioni tra neutrini elettronici e muonici a certi li- costruito dall'INFN nei Laboratori del velli di energia. Ma i risultati di un esperimento condotto presso il Centro di ener- Gran Sasso. L'altro rivelatore è stato gia nucleare di Chooz nelle Ardenne, in Francia, limitano considerevolmente le costruito a Soudan, nel Minnesota, per possibilità di oscillazione rivelabili da Super-K. Un'altra possibilità è che i neutrini studiare i neutrini inviati dal Fermilab, muonici oscillino verso un sapore di neutrino ancora sconosciuto. Eppure, studi lontano 730 chilometri. sulla particella Z° condotti al CERN mostrano chiaramente che esistono solo tre Naturalmente, un buon rivelatore di sapori attivi possibili per il neutrino («attivo» significa che il sapore partecipa a ll'in- neutrini atmosferici è in grado di inter- terazione nucleare debole). Un nuovo sapore dovrebbe quindi interagire solo con cettare i neutrini prodotti dagli accele- la gravità. Alcuni sono favorevoli a questa ipotesi, poiché i risultati attuali dovuti a ratori: quindi anche in Giappone stia- tre effetti distinti (neutrini solari, atmosferici e dati di Los Alamos) non si possono mo usando Super-K per studiare un fa- spiegare con valori coerenti di massa per i tre neutrini conosciuti. Sono stati pro- scio di neutrini generati dall'accelerato- posti anche altri meccanismi di oscillazione, dovuti a cause più misteriose rispetto re KEK, a 250 chilometri di distanza. alla massa del neutrino, ma non godono di molto favore da parte dei teorici. Questo fascio può essere attivato e di- sattivato e possiede energia e direzione definite. Abbiamo anche posto un rivelatore simile a Super-K presso l'origine enormemente elevate, devono tenere nomi hanno cercato di quantificare la del fascio per analizzare i neutrini conto anche di questa relativa legge- massa presente nella materia luminosa, muonici prima che avvenga l'oscilla- rezza dei neutrini. Spesso utilizzano come le stelle, e nella materia ordina- zione. In effetti, stiamo utilizzando (di modelli matematici che contemplano ria, difficile da osservare, come le nane nuovo) i rapporti tra i conteggi presso in modo naturale questa massa del brune o la polvere interstellare. La la sorgente e quelli a distanza per elimi- neutrino, piccola ma non nulla. La massa totale può anche essere misurata nare le incertezze e verificare gli effetti massa di alcune particelle pesanti, alle indirettamente dal moto orbitale delle dell'oscillazione. Mentre questo artico- scale considerate nell'ambito delle galassie e dalla velocità di espansione lo è in fase di pubblicazione, i neutrini grandi teorie unificate, offre forse la le- dell'universo. Le misurazioni dirette ri- del primo fascio artificiale proiettato su va per separare i neutrini dai quark e sultano inferiori rispetto a quelle rica- lunghe distanze stanno passando sotto dai leptoni, che sono miliardi o mi- vate indirettamente di circa un fattore le montagne del Giappone, dove le gliaia di miliardi di volte più pesanti. 20. La massa del neutrino suggerita dai 50 000 tonnellate d'acqua di Super-K Un'altra conseguenza è che la massa nostri risultati è troppo piccola per ri- ne cattureranno una manciata. Quanti dei neutrini dovrebbe essere considera- solvere, da sola, il mistero della mate- ne catturerà esattamente costituirà ma- ta nella contabilità della massa dell'u- ria oscura. Tuttavia, i neutrini creati teriale per il prossimo capitolo di que- niverso. Per qualche tempo, gli astro- durante il big bang permeano lo spazio sta avventura. EDWARD KEARNS, TAKAAKI KAJITA e LOSECCO J. M., REINES FREDERICK e SINCLAIR DANIEL, La ricerca del YOJI TOTSUKA sono membri della collabora- decadimento del protone in «Le Scienze» n. 204, agosto 1985. zione Super-Kamiokande. Kearns, professore di SOLOMEY NICKOLAS, The Elusive Neutrino: A Subatomic Detective fisica alla Boston University, e Kajita, professore Story, collana «Scientific American Library», W. H. Freeman and di fisica all'Università di Tokyo, guidano il grup- Company, 1997. po di analisi che studia i dati relativi al decadi- Il sito Web dell'esperimento SuperKamiokande si può visitare all'in- mento del protone e ai neutrini atmosferici forniti dirizzo: www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/doc/sId. Il K2K Long Baseline Neu- da Super-K. Totsuka è portavoce di Super-K e di- trino Oscillation Experiment si può invece trovare all'indirizzo: neutri- rettore dell'Istituto di ricerca sui raggi cosmici del- no.kek.jp/. Il gruppo della Boston University che collabora al Super-K l'Università di Tokyo. ha le sue pagine all'indirizzo: he .bu.edu/-su erk/index.html. 44 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 Chirurgia guidata Le tecnologie della realtà virtuale stanno offrendo ai chirurghi l'equivalente di una visione ai raggi X, che li aiuta a rimuovere più radicalmente i tumori, a ridurre le ferite da immagini chirurgiche e a evitare di danneggiare tessuti importanti di W. Eric L. Grimson, Ron Kikinis, Ferenc A. Jolesz e Peter McL. Black iamo in una sala operatoria: una schermo dove compare la copia tridi- giovane donna sta per sotto- mensionale della testa della paziente S porsi a un intervento per rimuo- elaborata dal computer: un modello vere un tumore cerebrale che le causa costruito a partire da immagini ottenu- quasi quotidianamente accessi di tipo te con la tecnica non invasiva della ri- epilettico. La rimozione di questa mas- sonanza magnetica (MRI). sa, che è ormai una minaccia per la sua Ruotando il modello egli ottiene una vita, dovrebbe eliminare ogni disturbo, visuale simile a quella che avrà durante ma l'operazione è pericolosa. Il tumore l'operazione. Con pochi colpi di mou- preme sulla corteccia motoria, una fase, elimina pelle, grasso e ossa per met- scia di tessuto che controlla i movimen- tere a nudo il cervello. Il tumore e altri ti volontari. A occhio nudo tumore e dettagli significativi (come i vasi san- corteccia appaiono simili: lasciando in guigni e la corteccia motoria) sono evi- loco anche solo una piccola parte della denziati con colori diversi. Poiché il tu- massa maligna, il tumore ricrescereb- more è vicino a vasi sanguigni impor- be; ma se una parte della corteccia mo- tanti, il chirurgo pianifica il modo mi- toria fosse rimossa per errore, la donna gliore per raggiungere e rimuovere la potrebbe rimanere paralizzata. massa in modo da eliminarne ogni Il neurochirurgo ha dato l'assenso traccia, ma anche da minimizzare il ri- all'operazione solo perché ha la possi- schio di emorragia e di paralisi. bilità di utilizzare strumenti straordi- Decisa la strategia, ritorna dalla pa- nari, ideati per aumentare enormemen- ziente, distesa su una piattaforma inte le probabilità di successo. In un an- corporata in un sistema avanzato di golo della sala sta osservando uno MRI. Una tipica apparecchiatura per Combinando una ripresa dal vivo con un modello tridimensionale del cervello del paziente, generato da un computer, al chirurgo è possibile identificare con sicurezza un tumore cerebrale (in verde, a sinistra). Durante l'operazione chirurgica - effettuata in uno speciale apparecchio per la risonanza magnetica per immagini, MRI (sopra) - questi modelli, messi a punto prima dell'intervento, possono essere controllati con nuove scansioni, che rivelano se i tessuti si sono spostati dalla loro posizione originaria. Mo- delli tridimensionali e scansioni in tempo reale aiutano i medici a seguire la via più si- cura verso il bersaglio chirurgico e a massimizzare la rimozione della massa maligna. 96 LE SCIENZE 374/ ottobre 1 999 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 97 risonanza magnetica è composta da un stra équipe chirurgica al Brigham and la chirurgia guidata da immagini con- largo cilindro cavo, in cui viene posto Women's Hospital di Boston ha effet- sente in molti casi di intervenire con il paziente per la scansione. In questo tuato questo sofisticato intervento chi- più efficacia. Quando il bersaglio è un dispositivo più moderno, il cilindro - in rurgico «guidato da immagini» all'in- tumore, la rappresentazione visiva faci- realtà un magnete - è suddiviso in due terno di un apparecchio per MRI a lita l'identificazione dei confini della parti, e le sezioni a forma di ciambella magnete aperto su circa 300 pazienti. massa tumorale e del percorso più sicu- sono separate. Il tavolo operatorio Il sistema integrato attivo presso il ro e meno dannoso per eliminarla (pro- passa attraverso i «fori delle ciambel- le». Questa disposizione offre al chirurgo uno spazio sufficiente per stare in piedi in mezzo ai magneti e raggiungere comodamente il paziente. Il chirurgo abbassa uno schermo che mostra l'immagine visualizzata in precedenza, ora però fusa con un'immagine dal vivo; l'immagine composita è perfettamente allineata con la testa della paziente, così come appare dal pun- to di vista del chirurgo. E come se egli Le ricostruzioni tridimensionali del cervello di un uomo (sopra) e della base della colon- ne e dal numero della sezione. Noi pre- disponesse di una vista a raggi X, in na vertebrale di un altro paziente (sotto) sono state frazionate: le singole strutture sono feriamo la risonanza magnetica, perché grado di localizzare le strutture cere- state messe in evidenza con colori diversi. Come si vede, è possibile ruotare questi mo- risolve meglio le strutture anatomiche brali interne prima ancora di prendere delli e schiarire o addirittura eliminare singoli elementi. Fra le caratteristiche del cervello ed è più sensibile nel differenziare il tes- in mano il bisturi. Guidato dall'imma- messe qui in evidenza si notano i vasi sanguigni (in rosso), i ventricoli (in blu), una mas- suto malato. Inoltre evita al paziente di gine ingrandita sul video, segna con sa tumorale (in verde) e una cisti nel tumore (in verde giallastro). Le immagini della co- sottoporsi a radiazioni ionizzanti, in una penna sul cranio parzialmente ra- lonna vertebrale mettono in risalto il tessuto osseo (in bianco), i muscoli (in rosa), gli quanto si basa sulla misurazione della sato della paziente la posizione del tu- spazi intervertebrali (in giallo), lo spazio attorno al midollo spinale (in azzurro), un tu- risposta dei tessuti ai campi magnetici. more e di altre strutture importanti. more (in verde chiaro) e aree che si sospetta appartengano al tumore (in verde scuro). Mentre il paziente giace nel foro del Disegna la forma del piccolo foro che magnete cilindrico, la macchina per dovrà praticare nell'osso per accedere MRI produce un campo magnetico co- al tumore; poi osserva direttamente la stante. In sostanza, questo campo ma- paziente e incomincia a tagliare. gnetico provoca la vorticosa rotazione Durante l'incisione, inserendo deli- di alcuni dei protoni presenti nei tessu- catamente nella ferita una sonda steri- ti; applicando brevemente un secondo le, controlla di frequente la posizione e campo magnetico (sotto forma di im- la traiettoria. Una rapida occhiata al pulso), i protoni, ruotando come trot- monitor lo informa sulla posizione del- tole, si inclineranno in una nuova posi- l'indicatore rispetto alle strutture, altri- zione. Quando si annulla l'impulso, es- menti invisibili, sottostanti la piccola si tornano al moto iniziale, perdendo porzione di superficie esposta. L'indi- una quantità misurabile di energia. catore, perciò, lo aiuta a determinare Tessuti diversi hanno configurazioni di se si trova nel punto giusto e a una di- protoni in rotazione distinte e perciò stanza di sicurezza dalla corteccia mo- restituiscono differenti quantità di toria e dai vasi sanguigni. energia. Nella scansione, una maggior Periodicamente chiede al computer Scansioni MRI seriali rappresentano il punto di partenza da cui vengono costruiti quantità di energia viene registrata co- di inviargli scansioni MRI aggiornate modelli tridimensionali dell'anatomia interna di un paziente. Per creare i modelli, un me maggiore brillantezza, o intensità. nel sito della sonda. In pochi secondi le computer combina le singole sezioni in un'immagine unica. Dopo aver combinato fra loro le se- immagini appaiono sovrapposte al zioni bidimensionali, il risultato tridi- modello pre-operatorio: esse consento- mensionale deve venire «frazionato»: no di confrontare la posizione iniziale Brigham and Women's è stato messo a cedimento noto come «localizzazione e Per spiegare come vengono ottenute ta percentuale di essi viene assorbita. ogni piccolo voxel (elemento di volu- del tumore e degli altri tessuti di inte- punto grazie alla stretta collaborazione targeting»). Cosa ancora più importan- e presentate le immagini, ci servirà da Pertanto, sulla pellicola alcune regioni me, l'equivalente tridimensionale del resse con la posizione attuale, così da tra l'Image-Guided Therapy Program te, diventa più agevole rimuovere com- esempio guida il metodo utilizzato al appaiono più scure di altre. L'immagi- pixel) deve essere marcato per tipo di individuare spostamenti o deformazio- dell'ospedale e la General Electric Me- pletamente tumori benigni o eliminare Brigham and Women's. Il primo passo ne risultante è però una proiezione bi- tessuto e combinato con voxel simili a ni di cui tener conto. Le immagini lo dical Systems, che hanno realizzato il più ampiamente quelli maligni che sia- consiste nel costruire una rappresenta- dimensionale, piatta, di una struttura formare strutture identificabili. In neu- aiutano anche a localizzare eventuali magnete aperto; entrambi i gruppi no troppo diffusi o aggressivi per essere zione in tre dimensioni della superficie tridimensionale, e fornisce poche infor- rochirurgia, un tessuto normale può residui della massa tumorale che po- hanno collaborato con l'Artificial In- eradicati, così da alleviare i sintomi per e dell'anatomia interna della parte da mazioni su tessuti diversi dall'osso. essere marcato come grasso, osso, vaso trebbero essere sfuggiti alla resezione. telligence Laboratory del Massachu- più tempo o con più efficacia. Questa trattare. Naturalmente, il modello che La tomografia computerizzata (CT) sanguigno, pelle, ventricolo (cavità pie- Guidato da queste informazioni, eli- setts Institute of Technology per ideare tecnologia aiuta il chirurgo a non dan- permetterà al chirurgo di vedere le e la MRI, al contrario, producono una na di liquido), fluido cerebrospinale, mina del tutto la massa tumorale, sen- il sistema di guida avanzato. Michael neggiare tessuti funzionalmente impor- strutture interne nascoste dev'essere pila di «fette» virtuali, come se la re- sostanza grigia o sostanza bianca. In za intaccare la corteccia motoria o i va- Leventon e David Gering del MIT tanti durante altri tipi di interventi; ac- costruito senza intervenire sul paziente. gione corporea che interessa fosse stata teoria, un computer può essere pro- si sanguigni. Alcuni giorni dopo, la pa- hanno integrato le tecniche di model- corcia i tempi (riducendo l'anestesia e tagliata in centinaia di sezioni sottili, grammato in modo da assegnare auto- ziente può essere dimessa. lizzazione informatica e di ottenimento la perdita di fluidi) e, talora, consente Il modello anatomico visualizzate singolarmente, in succes- maticamente le etichette, in base alla delle immagini. Altri sistemi avanzati operazioni che pochi anni fa sarebbero sione. Entrambe le tecniche consento- luminosità di ciascun voxel; e, in effet- Progressi reali di guida per immagini messi a punto state considerate troppo rischiose. Le tecniche non invasive per l'otteni- no di salvare le scansioni nella memo- ti, alcune strutture, come il cranio o i da vari gruppi vengono utilizzati in La chirurgia guidata da immagini mento di immagini sono la chiave di ria del computer e di combinarle in un ventricoli, sono spesso più che eviden- Sebbene ciò che abbiamo detto fino- ospedali statunitensi ed europei per ri- può semplificare varie procedure diffi- volta. Quasi tutti hanno visto una ra- modello tridimensionale, in cui ogni ti, sia al computer sia a un osservatore ra possa sembrare fantascienza, di fat- solvere numerosi problemi chirurgici. coltose, ma la tecnologia che la consen- diografia: quando i raggi X attraversa- singolo punto è definito dalle coordi- anche inesperto, e possono venire eti- to è realtà. Negli ultimi tre anni, la no- Migliorando la visione del chirurgo, te è complessa, oltre che affascinante. no il tessuto osseo e gli organi, una cer- nate verticali e orizzontali su una sezio- chettate e registrate immediatamente. 98 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 99 Al contrario, i confini tissutali che sulta prossima a un particolare valore, spesso la confusione può venir risolta Una volta che ogni voxel è stato as- tumore. La tecnologia standard MRI e ro, e così quelle scarsamente informati- sono meno nettamente distinti posso- il voxel viene provvisoriamente asse- grazie a un programma automatico segnato al suo tipo di tessuto, altri pro- di frazionamento, tuttavia, non può ve (come quelle d'intensità uniforme). no risultare difficili da distinguere a gnato al corrispondente tipo di tessuto. creato da Tina Kapur e Simon War- grammi delineano i singoli tessuti fornire altre importanti informazioni Il chirurgo ha anche bisogno di con- una semplice lettura. Il computer può In seguito, il programma valuta l'erro- field, del nostro gruppo: questo usando un codice di colori. A partire anatomiche e fisiologiche. Un secondo trollare la localizzazione delle regioni trovarsi in difficoltà nel separare la so- re nel campo magnetico calcolando la software predice la posizione generale da un singolo punto, il computer dipin- gruppo di metodi algoritmici permette corticali che possiedono una funzione stanza grigia della corteccia cerebrale differenza fra l'intensità effettiva e di strutture diverse basandosi su un ge con lo stesso colore tutti i voxel con- di acquisire questi dati. critica, come, generalmente, la cortec- dalla sostanza bianca sottostante, o nel quella prevista, corregge le intensità e atlante digitale di anatomia. È in grado finanti che hanno la stessa attribuzione Un problema frequente con le scan- cia motoria. Le immagini da sole non risolvere i confini fra il tessuto tumora- ricomincia daccapo l'iter di attribuzio- di notare, per esempio, che, sebbene tissutale; poi ripete il processo fino a sioni MRI usate per costruire un mo- sono sufficienti, perché le proprietà tis- le e quello normale circostante. Per af- ne e di correzione. La procedura è ripe- l'intensità di una regione di tessuto ce- che tutti i voxel adiacenti sono riuniti. dello virtuale della testa è la scarsa evi- sutali specifiche della corteccia moto- frontare il problema, il nostro gruppo tuta fino ad assegnare a ogni voxel rebrale corrisponda a quella sia della Il programma esegue allora lo stesso denza dei vasi sanguigni. Per ottenere ria non sono distinguibili da quelle di e altri hanno messo a punto nuovi al- un'unica e definitiva etichetta. sostanza bianca sia del muscolo, il cer- procedimento per gli altri tessuti, attri- una nitidezza maggiore, si può ricorre- altri tessuti corticali, e ciò significa che goritmi per interpretare segnali ambi- A volte, la sola intensità non è suffi- vello non contiene muscoli nella regio- buendo un colore specifico a ognuno. re ad angiogrammi a risonanza magne- l'intensità del segnale sulle scansioni gui. Uno di essi inizia con un'operazio- ciente per discriminare fra i tessuti. Per ne di interesse, sicché il tessuto dev'es- tica (angiogrammi MR), prodotti scan- MRI è identica. Né tale struttura può ne manuale: per ogni tipo di tessuto, esempio, la sostanza bianca del cervel- sere sostanza bianca. Infine, i tecnici ri- Dettagli aggiuntivi dendo di nuovo il paziente e regolando essere individuata mediante osserva- un tecnico seleziona alcuni voxel che lo e i muscoli del collo potrebbero ave- vedono frequentemente su un monitor i campi magnetici in modo da eviden- zione diretta, non apparendo diversa appartengono chiaramente a esso, e ne re una composizione molecolare simile le scansioni frazionate, per essere sicuri Il modello frazionato è molto utile ziare il flusso sanguigno. da altri tessuti corticali. registra l'intensità; in questo modo, a e produrre la stessa gamma di valori in che le attribuzioni definitive a un tessu- per mostrare caratteristiche che non Gli angiogrammi MR ottenuti van- Vi sono due metodi non invasivi per ogni tipo di tessuto è assegnato un in- una scansione MRI. In questo caso, to abbiano significato anatomico. verrebbero rilevate a occhio nudo, per no allineati con la serie originale di affrontare il problema. Quando l'orga- esempio la posizione e la forma di un scansioni MRI e fusi nel modello tridi- nismo utilizza un muscolo, il flusso di tervallo di intensità. Quindi il compu- mensionale. Il nostro sistema di regi- sangue nella regione corticale deputata ter esamina la luminosità di tutti gli al- strazione automatizzata compie la fu- a controllare quel movimento aumen- tri voxel e li colloca negli insiemi a cui Una «maschera» ottenuta con un dispo- sione sovrapponendo i gruppi di dati e ta. La risonanza magnetica «funziona- più si avvicinano. sitivo laser (linee rosse) segue i contorni cercando il modo migliore di traslarli le» può rivelare tali variazioni e indivi- Per essere sicuri della correttezza dei del volto di un paziente sul tavolo opera- e ruotarli l'uno rispetto all'altro. Il si- duare le aree corticali responsabili del raggruppamenti, si applica un secondo torio (a sinistra). Per mettere a registro stema trova la posizione migliore al- controllo di ciascun muscolo. Il secon- algoritmo. Messo a punto da William un modello computerizzato del cervello lineando le regioni in base alla quanti- do metodo prevede l'impiego di uno M. (Sandy) Wells, del nostro gruppo, di un individuo con il cervello reale, il tà di informazioni che esse mostra- stimolatore magnetico transcranico. esso ha lo scopo di correggere le varia- computer ruota e trasla il modello (a de- no: aree fortemente informative (come Una coppia di elettromagneti induce zioni nel campo magnetico a impulsi stra) finché i contorni del volto virtuale e quelle che mostrano una struttura den- deboli correnti elettriche in aree circo- emesso dal magnete. Se gli impulsi fos- della maschera laser non combaciano. sa) vengono fatte corrispondere fra lo- scritte della corteccia. La stimolazione sero del tutto prevedibili e uniformi nell'intero campo d'immagine, anche le letture relative a specifici tessuti sarebbero altrettanto chiare. Purtroppo questo aspetto della tecnologia MRI non è perfetto. Una parte dell'area esaminata potrebbe ricevere una quantità di energia differente rispetto a un'altra, sicché alcuni voxel potrebbero apparire troppo brillanti o troppo scuri e venir letti in modo scorretto. Il programma di Wells inizia col generare un elenco delle intensità che cor- risponderebbero a ciascun tessuto se gli impulsi MRI fossero ovunque uniformi. Quindi confronta con l'elenco l'in- tensità di ogni singolo voxel e, dove possibile, assegna un'etichetta al tessu- to. Se l'intensità cade al di fuori dei valori previsti per qualsiasi tessuto, ma ri- La «mappatura funzionale» rivela le aree corticali che controllano specifici muscoli. Un dispositivo invia impulsi innocui all'interno di singoli punti del cervello, e gli elettrodi posizionati attorno al corpo rivelano i muscoli che reagiscono. In alto, i puntini individuano aree che suscitano nei muscoli della mano destra risposte forti (in rosso), medie (in arando e giallo), deboli (in verde) e nessuna risposta (in blu). Nell'immagine in basso, che raf- figura il cervello di un paziente affetto da tumore, la corteccia motoria (identificata per mezzo di una tecnica diversa) è in magenta e azzurro; il tumore (in verde) ha spostato parte della corteccia. 100 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 101 non causa dolore ed è innocua. Fissan- ratori sia nel corso dell'intervento, i ta. La linea viene spostata lungo il vol- do rivelatori elettrici alla cute del pa- punti di riferimento sul dispositivo to, a distanze predefinite, e ogni linea ziente, possiamo identificare i muscoli consentono di correlare le immagini viene letta e registrata. Alla fine, questa interessati dalla stimolazione di specifi- antecedenti all'operazione con il cer- serie di linee descrive la topologia su- che aree. Possiamo anche registrare vello stesso come appare durante l'in- perficiale della testa del paziente nella l'informazione funzionale nel modello tervento. Le cornici, tuttavia, sono do- sua esatta posizione. virtuale della testa del paziente, facen- lorose e pesanti per il paziente, e rap- Con questo «calco» laser del volto do corrispondere ogni etichetta ai mu- presentano un impedimento per il chi- immagazzinato nel computer, tramite scoli coinvolti. rurgo. Grazie a Steven White, del no- un altro algoritmo messo a punto al stro gruppo, abbiamo trovato un'alter- MIT ruotiamo la testa virtuale fino a Allineare il modello nativa meno invasiva e più elegante. farne combaciare esattamente il volto Il metodo di White prevede di illu- con l'andamento delle linee laser. Tut- al paziente minare il cranio e il volto del paziente - tavia c'è ancora un problema: l'imma- la cui testa è mantenuta in posizione gine che appare sullo schermo durante I modelli per l'osservazione interna fissa per tutta la durata della registra- l'operazione deve mostrare il paziente offrono vantaggi notevoli per la piani- zione e del successivo intervento chi- dal punto di vista del chirurgo, non da ficazione delle procedure chirurgiche, rurgico - con un fascio di luce laser. quello della videocamera usata per fo- ma sono utili soprattutto quando ven- Questo attraversa una lente, che tografare i laser. Una seconda mano- gono allineati al paziente sul tavolo diffonde il fascio in una linea. Se la li- vra di registrazione (che comprende il operatorio. L'anatomia interna può co- nea incidesse sulla superficie del tavolo calcolo della posizione del medico ri- sì essere osservata dal punto di vista del operatorio, essa rimarrebbe piatta e di- spetto al sistema laser) consente di ef- chirurgo durante tutta l'operazione. ritta. Quando però va a colpire il volto fettuare questa correzione. Dopo aver Il tipico strumento per registrare im- del paziente, si deforma in modo da ri- completato la fase di allineamento ed magini prechirurgiche è la cornice ste- produrne il contorno. Una videocame- esserci assicurati che tutte le strutture reotattica, una struttura a forma di ra registra il segnale della linea e un interne si sono spostate in sincronia scatola che viene avvitata sul capo del computer (lo stesso che conserva il con la superficie facciale, possiamo fi- paziente. Se la scatola è indossata dal modello frazionato della testa) calcola nalmente inserire la testa virtuale in paziente sia durante gli esami preope- le deformazioni rispetto alla linea piat- un'immagine dal vivo del paziente, per ottenere l'immagine «ai raggi X». Durante un intervento chirurgico, una sonda può rivelare la traiettoria e la posizione Migliorare la navigazione esatta del bisturi. Spesso il computer mostra sia il modello tridimensionale sia le sezioni bidimensionali che offrono una vista laterale, superiore e anteriore del cervello. La Sebbene straordinaria, questa pre- freccia gialla nel modello tridimensionale e le croci nelle altre immagini indicano la po- sentazione è tuttavia piuttosto passiva. sizione della punta della sonda. Il tumore appare verde; i vasi sanguigni sono in rosso. Al di là della localizzazione e indivi- duazione del bersaglio, uno degli scopi principali della chirurgia guidata da immagini è permettere al chirurgo di verificare in ogni momento le coordi- nate del bisturi. Ciò si ottiene utilizzando una sonda alla cui estremità sono collocati diodi a luce infrarossa. Quando il chirurgo mette la punta sterile della sonda a contatto con un tessuto, tre fotocamere disposte a distanza nota l'una dall'altra seguono la luce, che emerge dai diodi a una distanza fissa dall'estremità della sonda in contatto con il tessuto. Mediante procedure standard di triangolazione, simili a quelle utilizzate per il rileva- mento topografico, computer collegati alle fotocamere possono calcolare l'e- satta posizione della sonda nel corpo e indicarla sul modello anatomico. Nel nostro caso, il monitor completa la presentazione tridimensionale con immagini che indicano la posizione della sonda in tre sezioni trasversali diverse. I modelli che costruiamo riflettono l'anatomia del paziente prima che in- cominci l'operazione. Quando il chi- • rurgo inizia a toccare i tessuti o a ri- muoverli, le rappresentazioni di par- _, tenza diventano immediatamente vec- chie. Per affrontare questa sfida finale 2 ci affidiamo al magnete aperto, il quale 1 02 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999 nostra - vengono sempre più spesso utilizzate per la neurochirurgia e in interventi complessi su ossa, seni na- sali, reni, fegato, colonna vertebrale e altri tessuti. Ma le loro potenziali applicazioni non si limitano alla chirurgia: in particolare, stanno trovando molte applicazioni nel trattamento dei tumori. In radioterapia, si applicano metodi ba- sati su modelli al calcolatore e su immagini in tempo reale per assicurare che i fasci di radiazioni convergano nel punto anatomico desiderato, de- positando nel tumore alte dosi di radiazione, senza sovraccaricare i tessuti circostanti. Per verificare meglio l'efficacia della radiazione e delle tera- pie farmacologiche, i medici esamina- no immagini tridimensionali, che mettono in evidenza caratteristiche Lynda Tolve, oggi trentaduenne, ha subito nel 1996 l'asportazione di un tumore ce- quali la dimensione e la localizzazione rebrale grazie a una versione preliminare del sistema chirurgico guidato da immagini del tumore, prima e dopo il tratta- introdotto al Brigham and Women's Hospital di Boston. In altri ospedali, molti me- mento. Le potenzialità della tecnolo- dici non avevano voluto intervenire, in quanto sembrava impossibile eliminare il tu- gia per immagini potrebbero addirit- more senza rischiare di danneggiare la corteccia motoria e produrre paralisi. Un an- tura entrare nella diagnostica. Il no- no dopo, Lynda ha sposato il suo fidanzato (a destra). Ora è in remissione completa. stro gruppo sta valutando le possibi- lità di distinguere alterazioni tumorali nel seno prima che possano essere ci fornisce immagini aggiornate via via o ce n'è ancora un po' da rimuovere?». identificate chiaramente con la mam- che l'operazione procede. Poiché l'in- Per ora, le immagini che producia- mografia, in rappresentazioni tridi- tervento viene eseguito all'interno della mo nel corso di un intervento chirurgi- mensionali costruite a partire da scan- cavità del magnete, è possibile effettua- co sono bidimensionali e vengono sioni MRI. re nuove scansioni del paziente in qua- proiettate vicino al modello preopera- In campo chirurgico, rimangono va- lunque momento, e registrarle al posto torio o sovraimposte a esso, a seconda rie sfide di carattere tecnico. La princi- delle immagini acquisite in precedenza delle preferenze del chirurgo. L'obietti- pale riguarda le difficoltà a produrre e dal punto di vista del chirurgo. L'ag- vo, però, è quello di frazionare, colora- rappresentazioni utili di tessuti alta- giornamento è particolarmente impor- re e combinare le nuove immagini, e di mente flessibili. I modelli degli organi tante quando la struttura anatomica è farlo rapidamente, in modo che il mo- addominali, soprattutto, diventano flessibile e può alterare la propria posi- dello tridimensionale, con tutta la sua inaffidabili non appena il paziente rezione in qualunque momento. mole di informazioni, possa venir ag- spira o contrae certi muscoli. Sono allo Le capacità interattive e di aggiorna- giornato direttamente durante l'opera- studio algoritmi in grado di predire le mento del nostro sistema si sono dimo- zione. L'aggiornamento tempestivo è deformazioni tissutali, nel tentativo di strate estremamente vantaggiose: per- perfettamente attuabile; anzi, stiamo superare queste difficoltà. mettono infatti un controllo frequente proprio perfezionando i metodi e ci Nonostante i limiti attuali, la chirur- del lavoro del chirurgo e rispondono aspettiamo di aggiungere queste capa- gia guidata da immagini sta esercitan- facilmente a domande come: «Dove si cità al sistema entro un anno circa. do un'imponente influenza sulla medi- trovano i margini tumorali?»; «Quan- cina odierna. Con un computer nelle to sono vicino alla corteccia moto- Proprio dietro l'angolo vesti di valido assistente, la chirurgia ria?»; «In che direzione dovrei proce- del futuro potrà diventare meno inva- dere ora?»; «Ho effettivamente elimi- Comunque, già ora le tecniche de- siva, più rapida, meno rischiosa e con nato quanto più è possibile del tumore, scritte - e procedure molto simili alla una maggiore percentuale di successi. W. ERIC L. GRIMSON, RON KIKINIS, FERENC A. WELLS W. M. III, GRIMSON W. E. L., KIKINIS R. e JOLESZ F. A., JOLESZ e PETER McL. BLACK sono fra i pionieri della Adaptive Segmentation of MRI Data in «IEEE Transactions chirurgia guidata da immagini. Grimson è docente di inge- on Medica! Imaging», 15, n. 4, agosto 1996. gneria medica e di scienze informatiche e direttore associato BLACK P. M. e altri, Development and Implementation of In- dell'Artificial Intelligence Laboratory al Massachusetts Insti- traoperative Magnetic Resonance Imaging and Its Neurosur- tute of Technology. Kikinis dirige il Surgical Planning Labo- gical Applications in «Neurosurgery», 41, n. 4, ottobre 1997. ratory del Brigham and Women's Hospital e insegna alla JOLESZ FERENC A., Image-Guided Procedures and the Ope- Harvard Medical School. Anche Jolesz insegna alla Harvard rating Room of the Future in «Radiology», 204, n. 3, 1997. Medical School e dirige la MRI Division e l'Image-Guided Ulteriori informazioni sono disponibili nei seguenti siti In- Therapy Program al Brigham and Women's. Black, anch'egli ternet: http://www.ai.mit.edu/projects/medical-vision/ docente alla Harvard Medica! School, è neurochirurgo capo http://splweb.bwh.harvard.edu:8000/ al Brigham and Women's e al Children's Hospital. http://cisstweb.cs.jhu.edu/ 104 LE SCIENZE 374/ ottobre 1999