Каплан и Гинзтон убедили Varian Associates пустить клинические ускорители в производство. Со временем аппарат на 6 МэВ стал еще компактнее, теперь его можно было поворачивать на 360 градусов вокруг пациентов, чтобы лечить их под любым углом. С этого момента рентгенотерапия стала предпочтительным методом лечения, а LINAC – средством для его применения. К тому времени, когда протоны и более тяжелые частицы начали использоваться в медицине, эта форма лучевой терапии уже считалась золотым стандартом (см. главу 8)[242].
Сегодня примерно половина всех случаев рака лечится с помощью лучевой терапии (остальные лечатся хирургическим путем и химиотерапией). Чаще используют электроны и рентгеновские лучи, чем протоны или ионы, отчасти потому, что технология намного меньше и дешевле. Современный медицинский линейный ускоритель размещается в подвале больницы в защищенном от радиации помещении с бетонными стенами метровой толщины. Для пациента система выглядит почти так же, как центр протонной терапии, описанный в главе 9, за исключением того, что на этот раз все оборудование находится прямо внутри процедурного кабинета. В центре комнаты кровать, на которой лежит пациент, а над ней – метровый ускоритель частиц, который разгоняет электроны примерно до 25 МэВ, а затем направляет их на металлическую мишень. Когда электроны в металле замедляются, они испускают рентгеновские лучи, точно так же, как в электронно-лучевых трубках, с которыми мы познакомились в главе 1. При лучевой терапии пучку рентгеновских лучей придается особая форма с помощью сложной системы коллимации, которая поглощает часть рентгеновских лучей, создавая теневой узор в соответствии с планом лечения. После придания рентгеновским лучам соответствующей формы они направляются к пациенту.
Все источники питания, вакуумные системы и электроника скрыты за панелью в задней части машины. Откройте ее – и вы увидите клистрон и волноводы, которые подают радиочастотную энергию на ускоряющую структуру резонатора, находящуюся в самом сердце устройства. Так называемое гантри тоже имеет некоторое свинцовое экранирование и ряд магнитов, которые направляют луч вниз на металлическую мишень, где создаются рентгеновские лучи. Весь ускоритель находится в пластиковом корпусе, окруженном системой визуализации и панелями управления. Одно нажатие кнопки – и вся система ускорителя вращается на 360 градусов вокруг кровати пациента.
Varian – один из двух основных игроков, которые сегодня доминируют на рынке медицинских ускорителей. Другой – компания Elekta, созданная Ларсом Лекселлом в 1972 году в Швеции на базе точного радиохирургического оборудования «Гамма-нож». В то время как машины Varian в основном используют клистроны собственного изобретения, технология Elekta обычно использует магнетроны. Обе компании активно сотрудничают с университетскими группами и постоянно внедряют инновации для совершенствования аппаратуры и достижения наилучших клинических результатов.
Во всем мире используется более 12 000 таких медицинских ускорителей. Эти машины служат напоминанием о том, что экспериментальные технологии используются не только для физики элементарных частиц, но и для спасения жизней миллионов людей. На самом деле 12 000 ускорителей далеко не достаточно. При нынешних показателях заболеваемости раком на каждые 200 тысяч человек требуется один аппарат, и хотя страны с высоким уровнем дохода способны обеспечить нужное количество аппаратуры, в государствах, отнесенных Всемирным банком к странам с низким и средним уровнем дохода, не хватает около 5000 аппаратов. В 35 странах Африки к югу от Сахары в настоящее время нет вообще никакой технологии для лучевой терапии.
Во всем мире заболеваемость раком растет в результате того, что люди живут дольше, и больше всего этот рост приходится на страны с низким и средним уровнем дохода. По оценкам, к 2035 году ежегодно будет диагностироваться рак у примерно 35 миллионов человек, и 65–70 % процентов всех случаев – в странах с низким и средним уровнем дохода. Применяются огромные усилия по искоренению других заболеваний и увеличению продолжительности жизни, однако вероятность того, что у человека будет диагностирован рак, повышается с возрастом. Медицинские учреждения достаточно продвинуты во многих странах, чтобы диагностировать онкологию, а доступность образования гарантирует то, что люди достаточно хорошо знают признаки рака, чтобы вовремя обратиться к врачу.
К 2035 году потребуется дополнительно 12 600 аппаратов, а также десятки тысяч онкологов, радиологов, медицинских физиков и других специалистов. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) проводит огромную работу для решения этой проблемы, но растущая потребность в оборудовании опережает темпы производства и ввода в эксплуатацию новых установок для лучевой терапии.
В 2016 году в ЦЕРНе было созвано совещание для обсуждения этого оборудования, в котором приняли участие международные эксперты в области ускорителей и глобального здравоохранения, а также врачи из Нигерии, Ботсваны, Ганы, Танзании, Зимбабве и других стран Африки к югу от Сахары. Эксперты провели три дня, слушая и задавая вопросы, пытаясь понять, что не так и что необходимо изменить. Я была одним из таких экспертов, и как только мои глаза открылись на столь глобальную проблему, закрыть их уже было нельзя.
Даже если больница может позволить себе необходимую аппаратуру, на техническое обслуживание за год уйдет примерно столько же, сколько на выплату зарплаты двадцати пяти штатным инженерам. Доставка запасных частей занимает много времени, и даже тогда они могут застрять на таможне на месяцы. Каждый день простоя ускорителя означает, что около 50 тысяч пациентов остаются без лечения. Это самые распространенные ускорители частиц в мире, но мы поняли, что они предназначены для стран с высоким уровнем дохода, стабильным энергоснабжением, армией высококвалифицированных инженеров и мощными системами здравоохранения.
Участники этой встречи объединились в новое сотрудничество STELLA – «Умные технологии для продления жизни с помощью линейных ускорителей» (от англ. Smart Technologies to Extend Lives with Linear Accelerators). Существует множество аспектов этой проблемы, которые необходимо решить, включая образование, глобальное развитие, системы здравоохранения и технологии. Используя модели сотрудничества, лежащие в основе Большой науки, мы стремимся решить данную проблему, и наш первый этап – разработка более подходящего LINAC для этих условий – идет полным ходом[243].
Линейные ускорители нашли свое применение и за пределами медицины. Существуют тысячи небольших ускорителей, используемых в системах сканирования в портах и на границах и позволяющих таможенникам делать снимки содержимого грузовиков и грузовых контейнеров для поиска контрабанды. Высокоэнергетические рентгеновские лучи, производимые линейными ускорителями, могут проходить сквозь куда большие объекты – стандартные рентгеновские трубки на это неспособны.
Ускорители электронов используются для стерилизации медицинских изделий, некоторых опасных почтовых отправлений и даже для удаления потенциальных патогенов из определенных продуктов, включая травы. Способов применения становится только больше. В Южной Корее используются небольшие линейные ускорители для очистки вредных выбросов электростанций и промышленных сточных вод без использования агрессивных химикатов. Как бы нелогично это ни звучало, но ускорители частиц вполне могут быть одним из самых экологически чистых инструментов, которые у нас есть, – они даже используются для производства более дешевых солнечных панелей[244]. Рынок такого рода ускорителей в настоящее время составляет около 5 млрд долл. в год и продолжает расти.
Продолжается разработка магнетронов, клистронов и линейных ускорителей как в промышленности, так и в университетских лабораториях, и обычно эта работа проходит в сотрудничестве между ними. Технологии становятся все меньше, дешевле, надежнее и энергоэффективнее. В настоящее время ускорительные технологии для физики элементарных частиц разрабатываются совместно с их приложениями в медицине и промышленности, отчасти потому, что процесс индустриализации может помочь снизить затраты на крупные проекты, как это было при поиске кварков.
Сегодня на конференциях, посвященным новым видам лучевой терапии, которые могут сократить время лечения рака с минут до секунд и от 25 сеансов лечения до всего одного или двух, можно увидеть полным-полно физиков ускорителей[245]. Физики, которые работают вместе с коллегами-медиками над изобретением этих технологий следующего поколения, – это те же самые ученые, которые проводят эксперименты по физике элементарных частиц. Им нравится иметь возможность оказывать непосредственное влияние на реальный мир, при этом никогда не останавливаться в поисках ответов на важные вопросы о Вселенной.
Но все это придет гораздо позже. В конце 1960-х годов началась новая эра открытий. Первые шаги на Луне шли рука об руку с прорывными исследованиями мельчайших составляющих материи. После открытия кварков физики всего мира продолжали революционизировать физику элементарных частиц. Между 1974 и 1977 годами эксперименты в SLAC с использованием кольца электрон-позитронного коллайдера под названием SPEAR предоставили доказательства существования тау-лептона – более тяжелой версии электрона и мюона, – указывающие на то, что может существовать третье поколение частиц. Если это окажется правдой, может быть еще больше кварков. Казалось, не будет конца тайнам, которые порождал субатомный мир.
Глава 11Тэватрон: третье поколение частиц
Мы впервые встретились с Робертом Ратбуном «Бобом» Уилсоном в Беркли в середине 1940-х годов, когда он предложил идею протонной терапии. К концу 1960-х годов он уже оставил свое звание протеже Эрнеста Лоуренса и сам стал лидером. Уилсон был физиком нового типа, своего рода мастером на все руки – одновременно провидцем, инженером, сборщиком средств и предпринимателем. К тому же он оказался талантливым поэтом, скульптором и оратором и со временем научился сочетать творчество и науку, учредив ведущую в мире лабораторию. Но сначала он должен был получить одобрение на финансирование ее строительства.