Evaluation of the uncertainty in calculating nanodosimetric quantities due to the use of different interaction cross sections in Monte Carlo track structure codes

モンテカルロ飛跡構造コードにおける異なる相互作用断面積の使用がもたらすナノ線量測定量の計算における不確実性評価

Villagrasa, C.*; Baiocco, G.*; Chaoui, Z.-E.-A.*; Dingfelder, M.*; Incerti, S.*; Kundrt, P.*; Kyriakou, I.*; 松谷 悠佑  ; 甲斐 健師   ; Parisi, A.*; Perrot, Y.*; Pietrzak, M.*; Schuemann, J.*; Rabus, H.*

Villagrasa, C.*; Baiocco, G.*; Chaoui, Z.-E.-A.*; Dingfelder, M.*; Incerti, S.*; Kundrt, P.*; Kyriakou, I.*; Matsuya, Yusuke; Kai, Takeshi; Parisi, A.*; Perrot, Y.*; Pietrzak, M.*; Schuemann, J.*; Rabus, H.*

電離放射線被ばくの生物学的影響を理解するために重要なナノ線量測定は、分子スケールでの原子相互作用を再現するMonte Carlo Track Structure (MCTS)コードにより評価可能である。数十年にわたり独立して開発された様々なMCTSコードは、生物組織の主成分である液体水中の電子線の相互作用について、異なる物理モデルと断面積データセットを使用してきた。本研究では、様々なMCTSコード内の相互作用断面積の違いによって生じるナノ線量測定計算の不確実性を評価した。7つのMCTSコード(Geant4-DNA, PARTRAC, PHITS, MCwater、およびPTra)の計算結果から、平均電離数や2回以上の電離が起こる確率などの分子スケールの物理量に大きな相違があることが明らかとなった。最も大きな相違が確認されたのは低エネルギー電子で、相互作用断面積の寄与が不確実性の主要因であることがわかった。本成果より、断面積の相違が複雑なDNA損傷などの生物学的影響に無視できない影響を与えることが浮き彫りになった。

Nanodosimetry, which is important for understanding the biological effects after ionizing radiation exposure, can be evaluated using Monte Carlo Track Structure (MCTS) codes that can reproduce atomic interactions at the molecular scale. Various MCTS codes, developed independently over decades, have used different physical models and cross section data sets for electron interactions in liquid water, that is the main component of biological tissues. In this study, we evaluated the uncertainties in nanodosimetric calculations due to the variation of interaction cross sections used in various MCTS codes. The calculation results of seven MCTS codes (i.e., Geant4-DNA, PARTRAC, PHITS, MCwater, and PTra) revealed that there were large differences in physical quantities at molecular scale, such as the average number of ionizations and the probability of two or more ionizations. The largest differences were observed for low-energy electrons, where the contribution of the interaction cross section was found to be the main cause of uncertainty. These results highlight that difference in the cross section have a non-negligible impact on biological effects, such as complex DNA damage induction.