欧洲核子研究中心（CERN）的粒子加速器技术被用于治疗脑肿瘤

欧洲核子研究中心（CERN）的粒子加速器技术被用于治疗脑肿瘤 Timepix3 最初是为欧洲核子研究中心等巨型加速器的粒子探测而设计的摧毁头颈部肿瘤相对简单。用适当的化学药剂或足够强大的放射线对其进行照射，工作就完成了。问题在于如何在不杀死病人的情况下杀死癌细胞。治疗此类肿瘤的一种有效方法是使用离子束。将带电粒子加速到四分之三光速的离子束可以穿透活体组织达一英尺。为了保护健康细胞，传统技术是以肿瘤为中心，以曲线方式移动离子投射器。这样，肿瘤不断受到轰击，而健康组织只受到轻微照射。为病人准备离子束疗法 欧洲核子研究中心这是一种简单有效的方法，但远非完美，尤其是当肿瘤位于大脑中时。在这种情况下，由于离子束击中组织，邻近的健康细胞很有可能受到二次辐射，从而导致记忆力减退、视神经受损和其他问题。为了尽量减少这种情况，X 射线计算机断层扫描（CT）可以精确绘制肿瘤位置图，指导外科医生制定治疗方案。遗憾的是，手术前进行的扫描可能并不准确，因为手术后大脑在头骨中发生了移动。为了弥补这一缺陷，德国国家肿瘤疾病中心（NCT）、德国癌症研究中心（DKFZ）和海德堡大学医院海德堡离子束治疗中心（HIT）的研究人员使用了捷克公司 ADVACAM 制造的新型成像设备，该设备集成了欧洲核子研究中心开发的 Timepix3 像素探测器。Timepix3 芯片 欧洲核子研究中心Timepix3 设计用于半导体探测器和充气探测器，是一种通用集成电路，可以接收稀疏的探测数据，并在短时间内提供高分辨率输出。这样，ADVACAM 就可以利用离子束的二次辐射，将辐射作为跟踪信标来更新组织图。ADVACAM公司的Lukáš Marek说："我们的照相机可以记录患者身体发出的每一个带电粒子的二次辐射。这就像观察台球击球时散落的球。如果根据 CT 图像，球的反弹符合预期，我们就可以确定目标正确。否则，'地图'显然不再适用。那么就有必要重新规划治疗"。研究人员的想法是，这些更新将更好地瞄准肿瘤，同时减少患者受到的不必要辐射量，用更高水平的辐射照射肿瘤。目前，探测器需要中断治疗，以便重新规划。不过，该计划的后期阶段将包括实时修正光束路径的功能。"当我们开始为大型强子对撞机开发像素探测器时，我们的目标只有一个探测和成像每一次粒子相互作用，从而帮助物理学家揭开高能量下自然界的秘密，"Medipix 协作组织发言人迈克尔-坎贝尔（Michael Campbell）说。"Timepix探测器是由多学科Medipix合作组织开发的，其目的是将同样的技术应用到新的领域。其中许多领域在一开始是完全无法预见的，这项应用就是一个很好的例子"。 ... PC版： 手机版：

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欧洲核子研究中心实验室再现物质/反物质黑洞喷流

欧洲核子研究中心实验室再现物质/反物质黑洞喷流 Fireball合作小组利用欧洲核子研究中心的HiRadMat设施产生了一种物质和反物质喷流的模拟，这种喷流从一些黑洞和中子星中喷涌而出。在欧洲核子研究中心的 HiRadMat 设备上，研究人员制造出了一束高密度电子-正电子等离子体束，模拟了来自黑洞的天体物理喷流，为研究太空现象提供了新的视角。这些实验有助于用真实世界的数据验证理论模型，为深入了解黑洞喷流等宇宙事件铺平道路。潜入一个活跃星系的中心，你会发现一个超大质量黑洞正在吞噬周围的物质。在大约十分之一的此类星系中，黑洞还会以接近光速的速度喷射出物质射流。这种相对论黑洞喷流被认为包含了电子对及其反物质等价物正电子的等离子体等成分。这种相对论电子-正电子等离子体被认为会影响黑洞及其环境的动力学和能量预算。但究竟是如何发生的，人们仍然知之甚少，因为既很难用天文观测来测量等离子体，也很难用计算机程序来模拟它。在最近发表于《自然-通讯》（Nature Communications）的一篇论文中，查尔斯-阿罗史密斯（Charles Arrowsmith）和火球合作项目的同事们报告了他们是如何利用欧洲核子研究中心（CERN）的 HiRadMat 设备产生一束电子-正电子等离子体相对论束，从而在实验室实验中对这种介质进行详细研究的。活动星系半人马座 A，等离子体喷流从其中央黑洞喷出。资料来源：ESO/WFI（光学），MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.（亚毫米波）、NASA/CXC/CfA/R.天体物理现象的实验室复制在不同类型的实验室配备的高功率激光设施可以通过多种方式产生电子-正电子对的相对论束。然而，现有的方法都无法产生维持等离子体所需的电子-正电子对数量，而等离子体是一种物质状态，其中各组成粒子之间的连接非常松散。如果不能维持等离子体，研究人员就无法研究这些黑洞喷流的类似物在穿过相当于星际介质的实验室时是如何变化的。这项研究是解释地面和太空望远镜观测结果的关键。阿罗史密斯及其同事在欧洲核子研究中心的 HiRadMat 设备上找到了满足这些要求的方法。他们的方法是从实验室的超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron）中在仅纳秒级的时间内提取出高达三千亿个质子，然后将它们发射到石墨和钽靶上，在此过程中，一连串的粒子相互作用产生了大量的电子-正电子对。 通过使用一套仪器测量产生的相对论电子-正电子束，并将结果与复杂的计算机模拟结果进行比较，阿罗史密斯及其合作者发现，电子-正电子束中的电子-正电子对数量超过十万亿对，是以前的十倍到百倍，首次超过了维持等离子体状态所需的数量。阿罗史密斯说："电子-正电子等离子体被认为在天体物理喷流中扮演着重要角色，但这些等离子体和喷流的计算机模拟从未在实验室中进行过测试。实验室实验是验证模拟的必要条件，因为看似合理的模拟计算简化有时会导致截然不同的结论"。该结果是火球合作项目在 HiRadMat 进行的一系列实验的第一个结果。"这些实验的基本理念是在实验室中重现天体物理现象的微观物理学，例如来自黑洞和中子星的喷流，"论文合著者、首席研究员吉安卢卡-格雷戈里（Gianluca Gregori）说。"我们对这些现象的了解几乎完全来自天文观测和计算机模拟，但望远镜无法真正探测微观物理，模拟也涉及近似值。像这样的实验室实验是这两种方法之间的桥梁。"阿罗史密斯及其同事在 HiRadMat 等离子体实验中的下一个目标是让这些强大的射流在一米长的等离子体中传播，并观察它们之间的相互作用是如何产生磁场使射流中的粒子加速的这是高能天体物理学中最大的难题之一。"火球实验是 HiRadMat 最新增加的实验项目之一，"该设施的运营经理 Alice Goillot 说。"我们期待着利用欧洲核子研究中心加速器综合体的独特性能继续重现这些罕见的现象。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：
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欧洲核子研究中心再现来自黑洞的物质：反物质等离子体火球 超大质量黑洞发射等离子体喷流的艺术家印象图，欧洲核子研究中心的科学家们现在已经在实验室中重现了这一场景。美国宇航局/JPL-加州理工学院这些所谓的相对论喷流被认为包含了由电子及其反物质等价物正电子组成的等离子体。但是，这种物质究竟是如何形成的，又有什么作用，很难通过天文观测和计算机模拟来测量。于是，欧洲核子研究中心的科学家们开始在实验室里制造他们自己的版本。利用高辐射材料（HiRadMat）设施，研究小组从超级质子同步加速器中捕获了 3000 亿个质子，并将它们喷射到石墨和钽制成的靶子上。这引发了一连串的粒子相互作用，产生了足够多的电子-正电子对来维持稳定的等离子状态。产生等离子体的一系列相互作用示意图 罗切斯特大学激光能量学实验室插图/Heather Palmer首先，质子撞击石墨中的碳原子核，产生的能量足以撞散其中的基本粒子。其中的中性粒子很快衰变为高能伽马射线。这些伽马射线随后与钽的电场相互作用，进而产生成对的电子和正电子。在这次试运行中，产生的电子-正电子对达到了惊人的 10 万亿个，足以让它开始表现得像一个真正的天体物理等离子体。"这些实验的基本理念是在实验室中重现天体物理现象的微观物理学，例如黑洞和中子星的喷流，"该研究的合著者吉安卢卡-格雷戈里（Gianluca Gregori）说。"我们对这些现象的了解几乎完全来自天文观测和计算机模拟，但望远镜无法真正探测微观物理，模拟也涉及近似。像这样的实验室实验是连接这两种方法的桥梁。"这项研究发表在《自然通讯》杂志上。 ... PC版： 手机版：
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天空中的粒子加速器：NASA的IXPE探索"微类星体"机制 这张海牛星云的合成图捕捉到了 SS 433 喷出的喷流，SS 433 是一个黑洞，它正在吞噬产生它的超新星残余物中的物质。利用 IXPE 航天器数据进行的新研究，特别是通过对微类星体 SS 433 的研究，揭示了黑洞的粒子加速现象。这项工作揭示了喷流内的磁场与它们的运动是一致的，这与之前的理论相矛盾，增强了我们对这种宇宙现象的理解。研究人员利用美国国家航空航天局（NASA）的IXPE（X射线极坐标成像探测器）航天器的数据得出的最新发现，为科学家们提供了粒子加速如何在这种极端环境中发生的新线索。这些观测数据来自一颗"微类星体"，这是一个由黑洞从伴星虹吸物质组成的系统。近距离观察 SS 433这颗微类星体（Stephenson and Sanduleak 433，简称 SS 433）位于天鹰座超新星残余物 W50 的中心，距离地球约 1.8 万光年。SS 433强大的喷流扭曲了残余物的形状，并为它赢得了"海牛星云"的绰号，其速度大约是光速的26%，即每秒超过48000英里。SS 433 于 20 世纪 70 年代末被发现，是迄今为止发现的第一颗微类星体。IXPE 的三个机载望远镜测量 X 射线光的一种特殊性质，即偏振，它告诉科学家 X 射线频率下电磁波的组织和排列情况。X 射线偏振有助于研究人员了解宇宙极端区域内发生的物理过程，如黑洞周围的环境，以及粒子如何在这些区域内加速。残余物发出的无线电波呈蓝绿色，而由 IXPE、XMM-牛顿和钱德拉合成的 X 射线则以明亮的蓝紫色和粉白色为主色调，红外线数据则以红色为背景。黑洞以接近光速的速度喷射出两个方向相反的物质射流，扭曲了残余物的形状。喷流在距离黑洞大约 100 光年的地方变得明亮，粒子在喷流内部的冲击下被加速到非常高的能量。IXPE 数据显示，在粒子加速过程中起关键作用的磁场与喷流平行排列这有助于我们了解天体物理喷流是如何将这些粒子加速到高能量的。突破性发现和对未来的影响IXPE 在 2023 年 4 月和 5 月花了 18 天时间研究 SS 433 东叶的一个这样的加速点，高能电子在磁场中螺旋运动产生了辐射这一过程被称为同步辐射。"IXPE数据显示，加速区域附近的磁场指向喷流移动的方向，"美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心的天体物理学家菲利普-卡亚雷特（Philip Kaaret）说，他是IXPE任务的首席研究员，也是SS 433上一篇关于研究结果的新论文的主要作者。他说："通过 IXPE 看到的高水平极化表明，磁场是有序的，至少有一半的磁场朝同一方向排列。"他说，这一发现出乎意料。研究人员长期以来一直认为，喷流与星际介质（恒星之间的气体和尘埃环境）之间的相互作用很可能会产生冲击，从而导致磁场紊乱。美国国家航空航天局的成像 X 射线极化探测器（IXPE）。资料来源：美国国家航空航天局卡亚雷特说，这些数据提出了一种新的可能性当强大的喷流与星际物质碰撞时，它们内部的磁场可能会被"困住"并被拉伸，从而直接影响它们在粒子加速区域的排列。自 20 世纪 80 年代以来，研究人员就推测 SS 433 的喷流起到了粒子加速器的作用。2018年，墨西哥普埃布拉高空水切伦科夫天文台的观测人员验证了喷流的加速效应，科学家们利用美国宇航局的NuSTAR（核光谱望远镜阵列）和欧洲航天局的XMM-牛顿天文台精确定位了加速区域。随着研究人员继续评估 IXPE 的发现并研究太空中的新目标，其数据还有助于确定相同的机制是否会使各种现象从超新星残留物中流出的黑洞喷流到从爆发的恒星（如耀斑）中喷出的碎片所排出的外流中的磁场保持一致。IXPE 任务的意大利首席研究员保罗-索菲塔（Paolo Soffitta）说："IXPE 的 X 射线偏振计的成像能力使这一非常精细的测量成为可能，从而在距离中心黑洞 95 光年的喷流小区域内探测到了微弱信号。"这篇新论文详细介绍了 IXPE 在 SS 433 上的观测情况，发表在最新一期的《天体物理学报》上。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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