Ein Teilchenstrahl ist ein Strahl beschleunigter Teilchen, normalerweise geladener Teilchen (Ionen). Zu den realen Anwendungen eines Teilchenstrahls gehören Teilchenbeschleuniger („Atomzertrümmerer“), in der Plasmaphysik, in Kathodenstrahlröhrenfernsehern, Computerdisplays und in der Krebstherapie. Nach einer kurzen Flut von Forschungen über Partikelstrahlwaffen in den 1980er Jahren wurden solche Untersuchungen größtenteils eingestellt, wobei Laser und andere gerichtete Energiewaffen heutzutage die Aufmerksamkeit und Forschungsgelder erregten. Ein natürliches Beispiel für einen Teilchenstrahl wäre ein Blitz, bei dem Elektronen von negativ geladenen Wolken auf den neutralen Boden springen.
Die meisten Arten von Teilchenstrahlen bestehen aus geladenen Teilchen wie Protonen oder Elektronen, denn geladene Teilchen lassen sich mit Magneten leicht beschleunigen. Die meisten Teilchenstrahlen werden erzeugt, indem ein Teilchenstrom durch eine Reihe von Geräten geleitet wird, von denen jede dem Strahl einen kleinen Schubs verleiht, bis er auf eine signifikante Geschwindigkeit beschleunigt wird. In einigen Teilchenbeschleunigern kann diese Geschwindigkeit bis zu 99.999 % der Lichtgeschwindigkeit betragen. Teilchenstrahlen aus Elektronen sind in der Regel am schnellsten, da diese Teilchen mehr als tausendmal leichter als Protonen sind und sich somit am leichtesten beschleunigen lassen.
Obwohl der Begriff „Partikelstrahl“ ein Science-Fiction-Feeling hat, sind Partikelstrahlen in allen Kathodenstrahlröhrenfernsehern zu finden. Sogar alle elektrischen Kabel können als eine Art Elektronenteilchenstrahl angesehen werden, auch wenn ihr Verlauf selten linear ist. In einem Kathodenstrahlröhrenfernseher wird ein Teilchenstrahl von einer Elektronenkanone erzeugt. Die Elektronenkanone feuert Elektronen auf einen fluoreszierenden Schirm, der als Reaktion auf die einfallenden Partikel aufleuchtet und ein Bild erzeugt.
Eine innovative Anwendung von Partikelstrahlen ist die Strahlentherapie, bei der ein Partikelstrahl gerichtet wird, um Krebszellen abzutöten. Die Kehrseite dieses Ansatzes ist die Schädigung gesunder Zellen und das Risiko einer übermäßigen Strahlenbelastung. Der Wirkmechanismus ist die Strahlung, die die DNA bösartiger Zellen schädigt, wodurch sie sich nicht mehr selbst reproduzieren können. Eine Herausforderung bei dieser Art der Strahlentherapie ist die Bildung von sauerstoffarmen Tumoren – Tumoren, die aus ihrer Blutversorgung herauswachsen. Tumoren mit hohem Sauerstoffgehalt sind ideal für die Strahlentherapie, da beim Bestrahlen des sauerstoffreichen Gewebes zahlreiche freie Radikale freigesetzt werden, die Krebszellen sekundär schädigen.
Die stärksten Teilchenstrahlen der Welt werden in den größten Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) bei Genf in der Schweiz verwendet. Der Large Hadron Collider liegt in einem Tunnel mit einem Umfang von 27 km (17 mi) und bis zu 175 m (570 ft) unter der Erde. Mit Kosten von etwa 10 Milliarden US-Dollar (US-Dollar) ist der LHC eine der größten und teuersten Maschinen, die jemals gebaut wurden.