A detection system of the conventional PET tomograph is set-up to record data from e+ e- annihilation into two photons with energy of 511 keV, and it gives information on the density distribution of a radiopharmaceutical in the body of the object. In this paper we explore the possibility of performing the three gamma photons imaging based on ortho-positronium annihilation, as well as the possibility of positronium mean lifetime imaging with the J-PET tomograph constructed from plastic scintillators. For this purposes simulations of the ortho-positronium formation and its annihilation into three photons were performed taking into account distributions of photons' momenta as predicted by the theory of quantum electrodynamics and the response of the J-PET tomograph. In order to test the proposed ortho-positronium lifetime image reconstruction method, we concentrate on the decay of the ortho-positronium into three photons and applications of radiopharmaceuticals labeled with isotopes emitting a prompt gamma quantum. The proposed method of imaging is based on the determination of hit-times and hit-positions of registered photons which enables the reconstruction of the time and position of the annihilation point as well as the lifetime of the ortho-positronium on an event-by-event basis. We have simulated the production of the positronium in a cylindrical phantom composed of a set of different materials in which the ortho-positronium lifetime varied from 2.0 ns to 3.0 ns, as expected for ortho-positronium created in the human body. The presented reconstruction method for total-body J-PET like detector allows to achieve a mean lifetime resolution of about 40 ps. Recent Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy measurements of cancerous and healthy uterine tissues show that this sensitivity may allow to study the morphological changes in cell structures.

Abstract Here, positronium imaging is presented to determine cardiac myxoma (CM) extracted from patients undergoing urgent cardiac surgery due to unexpected atrial masses. Positronium is an atom build from an electron and a positron, produced copiously in intra-molecular voids during the PET imaging. CM, the most common cardiac tumor in adults, accounts for 50-75% of benign cardiac tumors. We aimed to assess if positronium serves as a biomarker for diagnosing CM. Perioperative examinations and histopathology staining in six patients confirmed the primary diagnosis of CM. We observed significant differences in the mean positronium lifetime between tumor and normal tissues, with an average value of 1.92(02) ns and 2.72(05) ns for CM and the adipose tissue, respectively. Our findings, combined with positronium lifetime imaging, reveals the novel emerging positronium biomarker for cardiovascular imaging. One-Sentence Summary Positronium may serve as an imaging biomarker for cancer diagnostics.

Abstract It was recently demonstrated that newly invented positronium imaging may be used for improving cancer diagnostics by providing additional information about tissue pathology with respect to the standardized uptake value currently available in positron emission tomography (PET). Positronium imaging utilizes properties of a positronium atoms, which are built from the electron and positron produced in the body during PET examinations. We hypothesized whether positronium imaging would be sensitive to in vitro discrimination of tumour-like three-dimensional structures (spheroids) build of melanoma cell lines with different cancer activity and biological properties. The lifetime of ortho-Positronium (o-Ps) was evaluated in melanoma spheroids from two cell lines (WM266-4 and WM115) differing in the stage of malignancy. Additionally, we considered such parameters: as cell size, proliferation rate and malignancy to evaluate their relationship with o-Ps lifetime. We demonstrate the pilot results for the o-Ps lifetime measurement in extracellular matrix free spheroids. With the statistical significance of two standard deviations, we demonstrated that the higher the degree of malignancy and the rate of proliferation of neoplastic cells the shorter the lifetime of ortho-positronium. In particular we observed following indications encouraging further research: (i) WM266-4 spheroids characterized with higher proliferation rate and malignancy showed shorter o-Ps lifetime compared to WM115 spheroids characterized by lower growth rate, (ii) Both cell lines showed a decrease in the lifetime of o-Ps after spheroid generation in 8 th day comparing to 4 th day in culture and the mean o-Ps lifetime is longer for spheroids formed from WM115 cells than these from WM266-4 cells, regardless spheroid age. The results of these study revealed that positronium is a promising biomarker that may be applied in PET diagnostics for the assessment of the degree of cancer malignancy.

Abstract SIDDHARTA-2 is a state-of-the-art experiment designed to perform measurements of kaonic atoms, which are exotic atoms composed of a negatively charged kaon orbiting nucleus. These atoms constitute an exceptional probe for investigating the strong interaction in the non-perturbative regime involving strangeness. The experiment is installed at the DAΦNE electron-positron collider of the INFN National Laboratory of Frascati (INFN-LNF) in Italy, aiming to perform the first-ever measurement of the 2 p → 1s X-ray transitions in kaonic Deuterium, a crucial step towards determining the isospin-dependent antikaon-nucleon scattering lengths. Based on the experience gained with the previous SIDDHARTA experiment, which performed the most precise measurement of the kaonic Hydrogen 2 p → 1s X-ray transitions, the present apparatus has been upgraded with innovative X-Ray Silicon Drift Detectors (SDDs), distributed around a cryogenic gaseous target placed in a vacuum chamber at a short distance above the interaction region of the collider, two new veto systems and a charged kaon detector. The current work presents a comprehensive description of the SIDDHARTA-2 setup, including the optimization of its various components during the commissioning phase of the collider.

The SIDDHARTA-2 collaboration has developed a novel X-ray detection system based on cadmium-zinc-telluride (CZT, CdZnTe), marking the first application of this technology at the DAΦNE electron-positron collider at INFN-LNF. This work aims to demonstrate the stability of the detectors’ performance in terms of linearity and resolution over short and long periods, thereby establishing their suitability for precise spectroscopic measurements within a collider environment. A reference calibration spectrum is presented in association with findings from assessments of linearity and resolution stability. Additionally, this study introduces a validated model of the response function of the detector. The relative deviations from the nominal values for the source transitions, obtained by fitting the entire spectrum with a background function and the previously introduced response function, are reported. Finally, a comparison of the calibration performance with and without beams circulating in the collider’s rings is presented. These promising results pave the way for applying CZT detectors in kaonic atom studies and, more generally, in particle and nuclear physics spectroscopy.