Un fascio di particelle è un fascio di particelle accelerate, solitamente particelle cariche (ioni). Le applicazioni nella vita reale di un fascio di particelle includono acceleratori di particelle (“atom smashers”), nella fisica del plasma, televisori a tubo catodico, display per computer e nelle terapie contro il cancro. Dopo una breve raffica di ricerche sugli armamenti a fasci di particelle negli anni ‘1980, tali indagini furono per lo più abbandonate, con laser e altre armi a energia diretta che oggi attirano l’attenzione e i dollari di ricerca. Un esempio naturale di un raggio di particelle sarebbe il fulmine, in cui gli elettroni fanno un salto da nuvole cariche negativamente al terreno neutro.
La maggior parte dei tipi di fasci di particelle è costituita da particelle cariche come protoni o elettroni, poiché le particelle cariche sono facili da accelerare utilizzando i magneti. La maggior parte dei fasci di particelle viene creata facendo scorrere un flusso di particelle attraverso una serie di dispositivi, ciascuno dei quali impartisce una piccola spinta al raggio, finché non viene accelerato a una velocità significativa. In alcuni acceleratori di particelle, questa velocità può raggiungere il 99.999% della velocità della luce. I fasci di particelle costituiti da elettroni tendono ad essere i più veloci, poiché queste particelle sono più di mille volte più leggere dei protoni e possono quindi essere accelerate più facilmente.
Sebbene il termine “raggio di particelle” abbia un aspetto fantascientifico, i fasci di particelle si trovano in tutti i televisori a tubo catodico. Si può ritenere che anche tutti i cavi elettrici contengano una sorta di fascio di particelle di elettroni, anche se il loro percorso è raramente lineare. In un televisore a tubo catodico, un fascio di particelle viene prodotto da un cannone elettronico. Il cannone elettronico spara elettroni su uno schermo fluorescente, che si illumina in risposta alle particelle in arrivo, producendo un’immagine.
Un uso innovativo dei fasci di particelle è nella radioterapia, dove un fascio di particelle è diretto per uccidere le cellule cancerose. Lo svantaggio di questo approccio è il danno alle cellule sane e il rischio di un’eccessiva esposizione alle radiazioni. Il meccanismo d’azione è la radiazione che danneggia il DNA delle cellule maligne, rendendole incapaci di autoriprodursi. Una sfida in questo tipo di radioterapia è la formazione di tumori a basso contenuto di ossigeno, tumori che superano il loro apporto di sangue. I tumori con alti livelli di ossigeno sono ideali per la radioterapia, poiché bombardare il tessuto ossigenato con radiazioni rilascia numerosi radicali liberi che causano danni secondari alle cellule tumorali.
I fasci di particelle più potenti al mondo sono quelli utilizzati nei più grandi acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider (LHC) vicino a Ginevra, in Svizzera. Il Large Hadron Collider si trova in un tunnel di 27 km (17 mi) di circonferenza, fino a 175 m (570 piedi) di profondità. Con un costo di circa $ 10 miliardi di dollari USA (dollari USA), LHC è una delle macchine più grandi e costose mai costruite.