Loading

Pozytonium w fizyce, biologii i medycynie Paweł Moskal, Uniwersytet Jagielloński

W Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego został zaprojektowany i zbudowany pierwszy tomograf PET, który działa w oparciu o scyntylatory plastikowe.

Jagielloński PET (J-PET) jest unikalnym w skali świata urządzeniem badawczym pozwalającym nie tylko na obrazowanie metabolizmu wybranych substancji w organizmach żywych, ale także na obrazowanie patologii tkanek in-vivo poprzez pomiar właściwości pozytonium (atomu zbudowanego z elektronu i pozytonu).

Obrazowanie patologii tkanek jest unikalną cechą tomografu J-PET opartą o fakt, że w trakcie diagnozowania PET w tkankach człowieka w przestrzeniach intramolekularnych powstają atomy pozytonium (atomy złożone z elektronu z tkanki oraz pozytonu emitowanego przez znacznik izotopowy).

Zjawisko to, niewykorzystywane dotąd w medycynie, może stworzyć nowe możliwości dla diagnostyki medycznej.

Na przykład, średni czas życia pozytonium wewnątrz tkanek zależy od wielkości wolnych przestrzeni między atomami oraz od koncentracji wolnych rodników w komórkach i może posłużyć jako nowy wskaźnik (bio-marker) do wyznaczania stopnia złośliwości nowotworów in-vivo.

Atom pozytonium, będąc układem elektronu z pozytonem związanym oddziaływaniem elektromagnetycznym, jest jednocześnie atomem i antyatomem. Jako atom zbudowany z elektronu i antyelektronu, w przeciwieństwie do zwykłych atomów, jest symetryczny przy wymianie cząstek na antycząstki.

Dlatego pozytonium stanowi idealny system do badania symetrii między materią a antymaterią w przyrodzie.

W szczególności umożliwia testy niezmienniczości zjawisk fizycznych ze względu na przekształcenia (symetrie) dyskretne takie jak: zamiana cząstek na antycząstki (C), odwrócenie kierunku upływu czasu (T), odbicie przestrzenne (P) i kombinacje tych symetrii jak na przykład CP czy CPT. Testy symetrii dyskretnych dotykają fundamentalnych pytań takich jak:

Dlaczego istnieją gwiazdy? Dlaczego istniejemy? Dlaczego Wszechświat istnieje? Czy istnieją jeszcze inne, nieznane nam, cząstki i siły odpowiedzialne za przetrwanie materii do naszych czasów?

Przetrwanie materii we Wszechświecie pozostaje niewyjaśnioną zagadką, biorąc pod uwagę zdecydowanie zbyt małą zmierzoną asymetrię między materią a antymaterią, jak dotąd zaobserwowaną tylko w procesach słabego oddziaływania. Do tej pory nie zaobserwowano żadnych oznak podobnych asymetrii w oddziaływaniach grawitacyjnych, elektromagnetycznych i silnych.

Na wykładzie omówiona zostanie zasada działania tomografu J-PET oraz możliwe jego zastosowania do badania metabolizmu w całym ciele człowieka jednocześnie. Omówione zostaną także: zasada obrazowania pozytonium, zasada testowania symetrii dyskretnych tomografem J-PET, jak również zasada pomiaru polaryzacji i splątania kwantowego fotonów powstających w wyniku anihilacji pozytonium.

J-PET jako tomograf zbudowany z detektorów plastikowych, jest obecnie unikalnym urządzeniem pozwalającym na badanie splatania kwantowego fotonów powstających na skutek anihilacji pozytonium. Przedstawione zostaną także pierwsze obrazy pozytonium oraz wyniki testów zachowania symetrii dyskretnych w rozpadach atomów pozytonium uzyskane tomografem J-PET

Są to jak dotąd najbardziej precyzyjne na świecie testy w układach leptonów naładowanych elektrycznie.

Technologia J-PET umożliwia zbudowanie tomografu PET na całe ciało człowieka. Dostęp do takiego urządzenia otworzyłby nowe możliwości badań w medycynie, w tym np.

  • badań farmakokinetyki nowych związków czy wiązania leków na poziomie tkankowym w układzie in vivo,
  • wykrywania stopnia złośliwości nowotworów in-vivo;
  • badania nad chorobami metabolicznymi i przewlekłymi na poziomie komórkowym i tkankowym.

Na wykładzie omówiona zostaną perspektywy budowy w Polsce tomografu PET na całe ciało człowieka.

Przedmiotem zainteresowań naukowych i pracy badawczej prof. Pawła Moskala jest fizyka jądrowa, fizyka cząstek oraz zastosowania fizyki jądrowej w medycynie i bezpieczeństwie publicznym.

Prowadzi on ponad czterdziestoosobowy interdyscyplinarny zespół badający zjawiska, w których energia ruchu zamienia się w materię oraz zjawiska przemiany cząstek w kwanty światła. Poszukuje nowych rodzajów materii a także zjawisk przyrody, które łamałyby fundamentalne symetrie takie jak na przykład symetria odbicia w przestrzeni lub symetria odwrócenia w czasie. Opracował nową metodę nieinwazyjnego obrazowania wnętrza człowieka działającą w oparciu o detektory plastikowe, oraz obrazowanie in-vivo właściwości pozytonium w żywych organizmach, otwierając nowe możliwości diagnozowania nowotworów.

Prof. Paweł Moskal jest wynalazcą pozytonowej tomografii emisyjnej opartej na plastikowych scyntylatorach oraz metody patologii in-vivo opartej na obrazowaniu pozytonium.

Jest profesorem fizyki i kierownikiem Zespołu Zakładów Fizyki Jądrowej oraz Zakładu Doświadczalnej Fizyki Cząstek i Zastosowań na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie. Zdobył nagrodę premiera za rozprawę doktorską w 1999 r. Oraz Złoty Medal za wynalazek urządzenia matrycowego do pozytonowej tomografii emisyjnej na Światowej Wystawie Innowacji, Badań i Nowych Technologii w Brussels Innova 2009.

Prof. Moskal jest współautorem 18 patentów w Europie, Stanach Zjednoczonych i Japonii oraz ponad 300 artykułów naukowych z zakresu fizyki jądrowej i cząstek oraz pozytonowej tomografii emisyjnej. W latach 2015-2017 był członkiem komitetu naukowego SPSC w CERN. Obecnie kieruje współpracą Jagielloński-PET: międzynarodowym i interdyscyplinarnym zespółem badawczym, prowadzącym badania i rozwój nowego urządzenia do obrazowania PET opartego o plastikowe scyntylatory. Badania te mają na celu zbudowanie ekonomicznego, przenośnego i modularnego tomografu PET na całe ciała człowieka do eksperymentów z pozytonium w zakresie fizyki podstawowej, biofizyki i diagnostyki medycznej, np. do badań dyskretnych symetrii w rozpadach pozytonium, rozwoju i testów obrazowania wielofotonowego, do badania właściwości atomów pozytonium w organizmach żywych, otwierając nowe perspektywy jednoczesnego badania dynamiki metabolizmu i patologii tkanek in-vivo w całym ciele pacjenta.

Prof. Moskal był koordynatorem międzynarodowej współpracy COSY-11 prowadzącej eksperymenty dotyczące produkcji mezonów w Synchrotronie Protonowym COSY w Niemczech i vice koordynatora eksperymentu WASA-at-COSY, skupiającego około 150 fizyków testujących podstawowe symetrie przyrody w rozpadach mezonów. Jest także członkiem współpracy KLOE-2 prowadzącej eksperymenty w zderzaczu elektron-pozytron we Włoszech. Eksperymenty KLOE-2 obejmują testy mechaniki kwantowej i poszukiwanie zjawisk wykraczających poza standardowy model fizyki cząstek. Prof. Moskal przewodniczył komitetom naukowym i organizacyjnym piętnastu międzynarodowych sympozjów i warsztatów poświęconych fizyce fundamentalnej i stosowanej oraz był (współ) redaktorem komunikatów konferencyjnych.

Najważniejsze prace:

  1. P. Moskal, B. Jasińska, E. Stępień, S. Bass, Nature Reviews Physics 1 (2019) 527
  2. P. Moskal et al., Physics in Medicine and Biology 64 (2019) 055017
  3. B. Hiesmayr, P. Moskal, Scientific Reports 9 (2019) 8166

25 kwietnia 2020 r. godz. 16:30

Audytorium 0.03 Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Credits:

Photos by Paweł Moskal.