[197]. Альварес тем временем получил Нобелевскую премию в 1968 году.
Большая наука, практикуемая в таких лабораториях, как Беркли, объединяет ученых разных типов, что создает возможность проводить амбициозные прикладные исследования наряду с экспериментами, движимыми любопытством. Альварес стал сторонником этого стиля исследований, как и другой ветеран Манхэттенского проекта Роберт «Боб» Ратбун Уилсон. Как и Альварес, Уилсон был одним из бывших циклотронщиков Эрнеста Лоуренса, но после войны он переехал в Гарвард. Уилсон не гордился своей ролью в разработке атомного оружия, комментируя в интервью: «Я всегда надеялся, что мы не добьемся успеха»[198]. Уилсон вырос в Вайоминге, в семье бывших квакеров. Еще до войны он слыл пацифистом, но после своего военного опыта он твердо решил внести вклад в применение физики в мирных целях.
В 1946 году Уилсону пришла в голову идея, которая показалась ему настолько очевидной, что он посчитал, что она, должно быть, уже приходила в голову многим другим. Энергии протонных пучков циклотронов теперь достаточно высоки, несколько сотен МэВ, чтобы лучи могли проникать глубоко в ткани человека и оказывать прямое терапевтическое применение, особенно при лечении рака. Когда его предложение дошло до медицинского сообщества, оказалось, что никто на самом деле не думал об этом. Воплощение этой идеи заняло бы много лет, но в конечном итоге она проложила бы путь к созданию совершенно нового лечения рака с использованием высокоэнергетических заряженных частиц – корпускулярной терапии[199].
Вопрос, на который нужно было ответить Уилсону, заключался в следующем: как высокоэнергетические частицы взаимодействуют с человеческим телом и можно ли их использовать для лечения рака? Наслышанный об успешной истории применения циклотронных изотопов в медицине, он знал, что можно обратиться к брату Эрнеста Лоуренса, Джону.
В 1950-х годах лечение рака с помощью радиации плотно вошло в медицину. Рентгеновские лучи (а иногда и электроны) использовались в лучевой терапии, потому что было хорошо известно, что ионизирующее излучение – излучение с достаточной энергией для вытеснения электронов и образования ионов – может убивать раковые клетки. Цель такого лечения всегда состоит в том, чтобы доставить достаточную дозу излучения к опухоли и уничтожить ее, но как можно меньше воздействовать на здоровую ткань, чего бывает трудно достичь.
Сложность обуславливается непредсказуемостью поведения лучей в материи, и именно поэтому идея Уилсона стала огромным прорывом.
Когда высокоэнергетический фотон или электрон попадает в человеческую ткань, которая примерно на 70 % состоит из воды, он взаимодействует с электронами вокруг атомов и довольно быстро теряет энергию. С точки зрения дозы облучения это означает, что большое ее количество откладывается непосредственно под кожей и меньшее количество уходит вглубь тела. Но когда тяжелая заряженная частица попадает в ткань или воду, крошечных электронов недостаточно, чтобы замедлить ее, поэтому она медленно теряет энергию, лишь немного отклоняясь от своего пути. Протон или другая тяжелая заряженная частица может проникнуть глубоко внутрь тела, поначалу выделяя очень мало энергии, замедлиться и в конечном итоге остановиться, доставив большую часть своей энергии (и, следовательно, урона) к концу своего пути. Если вы построите график зависимости потери энергии протона от глубины его попадания в вещество, он будет следовать кривой, называемой пиком Брэгга[200].
Уилсон понял, что с точки зрения биологии пик Брэгга тяжелых заряженных частиц гораздо лучше подойдет для лечения опухолей. В зависимости от начальной энергии протонов частицы могут останавливаться на разных глубинах, позволяя врачам точно направлять излучение туда, где оно необходимо. Но физика излучения и материи – это одно, а еще предстояло выяснить воздействие на человека.
Джон Лоуренс и его коллега доктор Роберт Стоун ранее исследовали использование нейтронов в терапии, но их результаты были неубедительными. Идея Уилсона использовать вместо этого заряженные частицы побудила их коллегу Корнелиуса Тобиаса в 1948 году провести биологические эксперименты с использованием циклотрона с энергией 350 МэВ и проверить влияние протонов и дейтронов на клетки. Результаты оказались многообещающими, и в 1952 году воздействию пучков ионов дейтрона и гелия подвергся первый человек. В 1954 году – в тот год, когда был запущен Беватрон, – первый человек подвергся воздействию протонных лучей.
Несмотря на наличие более точного инструмента для доставки излучения вглубь тела, врачи не могли использовать пучки частиц, потому что им пришлось бы действовать вслепую: современные методы визуализации не позволяли им наблюдать происходящее в теле человека, потому что компьютерная томография (глава 1) еще не была изобретена. Одной из мишеней, которую можно было увидеть, был гипофиз, контролирующий высвобождение определенных гормонов. Поэтому первый метод лечения был направлен на остановку выработки гипофизом гормонов, вызывающих рост раковых клеток. Благодаря этому методу самая первая пациентка, женщина с метастатическим раком груди, была успешно вылечена[201]. Прошло еще несколько десятилетий, прежде чем объединение технологий визуализации и применения ускорителей позволило разработать эффективный способ лечения рака, однако этот эпизод положил начало развитию одного из самых сложных медицинских методов.
Сегодня более 100 центров по всему миру предлагают терапию частицами – с использованием либо протонов, либо тяжелых ионов (обычно ионов углерода). Всего 10 лет назад было 22 центра, и их число продолжает расти в геометрической прогрессии. Терапия частицами особенно хорошо подходит для лечения глубоких и труднодоступных опухолей, тяжелых детских случаев или опухолей вблизи важных органов. В 2016 году в Великобритании одна семья попала на первые полосы газет после того, что проехала через всю Европу, вопреки советам врачей, ради лечения своего ребенка в Праге с помощью протонной терапии, в то время как первый в Великобритании протонный терапевтический центр еще только строился.
Центры тщательно спроектированы таким образом, что пациенты едва ли знают о том, что поблизости находится ускоритель частиц. В Институте Пола Шеррера в Швейцарии процедурные кабинеты расположены в коридорах, отделанных деревянными панелями, с подсвеченными бумажными экранами в японском стиле, создающими ощущение, что дневной свет находится прямо за стеной. Экраны маскируют бетонную радиационную защиту метровой толщины. Во время лечения пациент лежит на кровати из углеродного волокна, установленной на роботизированной системе позиционирования, в центре небольшой комнаты. Если бы не большая белая металлическая насадка, торчащая из потолка, можно было бы ожидать, что хирург появится в любую минуту. Но в этом учреждении не требуются хирурги-люди.
Любопытным пациентам (или физикам) разрешена экскурсия за кулисы. Прочные на вид стены процедурного кабинета скрывают похожее на пещеру пространство, заполненное большим оборудованием, звуками вакуумных насосов и жужжанием источников питания. В задней части пещеры металлическая вакуумная трубка выходит через отверстие в бетонной защите, пропуская протоны из ближайшего ускорителя. Протонный луч проходит через ряд магнитов, которые поднимаются над палатой пациента. Наконец, он изгибается с помощью 200-тонного магнита, который направляет луч туда, где он необходим. Да, один из магнитов почти в два раза тяжелее синего кита. И да, он часто находится прямо над пациентом.
Вся конструкция, называемая гантри, движется: она вращается вокруг пациента, направляя луч под любым углом, пока пациент лежит на кровати, не в состоянии ощутить или почувствовать пучок частиц, взаимодействующий с его телом. Для протонной терапии циклотрон диаметром в несколько метров – лишь небольшая часть системы. Для более тяжелых частиц требуются синхротроны диаметром около 20 метров.
Те же ученые, которые разрабатывают ускорители частиц для физики элементарных частиц, разрабатывают синхротроны (и некоторые циклотроны) для терапии частицами в больницах. Совместное развитие терапии рака и физики элементарных частиц стало возможным благодаря междисциплинарному сотрудничеству. Все так и задумывалось: Лоуренс (который умер в 1958 году) и его преемники намеревались создать среду, в которой знания могли бы легко пересекать границы дисциплин. Этот новый масштабный командный подход к науке одновременно произвел революцию в нашем понимании частиц и катализировал их пользу для общества.
Сейчас мы стремимся сделать эту технологию еще более компактной, дешевой и точной. Терапия частицами дает физикам совершенно новую мотивацию адаптировать и изобретать новые ускорительные технологии. Это всего лишь одно из многих удивительных практических применений физики, которые появились в результате перехода этой области к масштабным совместным экспериментам.
Этот переход произошел не только в Соединенных Штатах, но и во всем мире. По мере восстановления после Второй мировой войны в Европе французский физик Луи де Бройль предложил европейским ученым объединиться и создать многонациональную лабораторию. Это было необходимо, если они хотели продолжить исследования в области физики высоких энергий. Оглядываясь на крупные проекты, планируемые и реализуемые в Соединенных Штатах, они знали, что единственный способ остаться в игре – это объединить ресурсы. После лоббирования правительств в течение ряда лет двенадцать стран Западной Европы ратифицировали создание в 1954 году новой лаборатории, Европейского совета по ядерным исследованиям (ЦЕРН), недалеко от Женевы. В нем приняли участие исследователи из стран, которые всего несколько лет назад находились в состоянии войны, включая Бельгию, Данию, Францию, Германию, Грецию, Италию, Нидерланды, Норвегию, Швецию, Швейцарию, Соединенное Королевство и Югославию. Управляемый рядом советов, в которых есть представители каждой страны-участницы, ЦЕРН создал уникальную структуру для принятия решений и продвижения крупных научных проектов, поощряя страны к совместной работе для достижения общих целей. В отличие от многих лабораторий США, в конвенции ЦЕРН записано, что лаборатория «не должна проводить работу в военных целях, а результаты ее экспериментальных и теоретических работ должны публиковаться или иным образом становиться общедоступными». Задачей ЦЕРН была и остается наука во имя мира.