Un haz de partículas es un haz de partículas aceleradas, generalmente partículas cargadas (iones). Las aplicaciones de un haz de partículas en la vida real incluyen aceleradores de partículas («destructores de átomos»), en la física del plasma, televisores con tubos de rayos catódicos, pantallas de computadora y en terapias contra el cáncer. Después de una breve ráfaga de investigación sobre armamento de haz de partículas en la década de 1980, tales investigaciones se abandonaron en su mayoría, y los láseres y otras armas de energía dirigida reciben la atención y el dinero de la investigación en la actualidad. Un ejemplo natural de un rayo de partículas sería un rayo, donde los electrones saltan de nubes cargadas negativamente al suelo neutral.
La mayoría de los tipos de haz de partículas consisten en partículas cargadas como protones o electrones, porque las partículas cargadas son fáciles de acelerar mediante el uso de imanes. La mayoría de los haces de partículas se crean haciendo pasar una corriente de partículas a través de una serie de dispositivos, cada uno de los cuales imparte un pequeño empujón al haz, hasta que se acelera a una velocidad significativa. En algunos aceleradores de partículas, esta velocidad puede llegar al 99.999% de la velocidad de la luz. Los haces de partículas formados por electrones tienden a ser los más rápidos, ya que estas partículas son mil veces más ligeras que los protones y, por lo tanto, pueden acelerarse con mayor facilidad.
Aunque el término «haz de partículas» tiene una sensación de ciencia ficción, los haces de partículas se encuentran en todos los televisores de tubo de rayos catódicos. Incluso se puede considerar que todos los cables eléctricos contienen una especie de haz de partículas de electrones, aunque su trayectoria rara vez es lineal. En un televisor de tubo de rayos catódicos, un cañón de electrones produce un haz de partículas. El cañón de electrones dispara electrones a una pantalla fluorescente, que se enciende en respuesta a las partículas entrantes, produciendo una imagen.
Un uso innovador de los haces de partículas es la radioterapia, donde se dirige un haz de partículas para matar las células cancerosas. La desventaja de este enfoque es el daño a las células sanas y el riesgo de exposición excesiva a la radiación. El mecanismo de acción es la radiación que daña el ADN de las células malignas, haciendo que se vuelvan incapaces de reproducirse por sí mismas. Un desafío en este tipo de radioterapia es la formación de tumores con poco oxígeno, tumores que superan su suministro de sangre al crecer. Los tumores con altos niveles de oxígeno son ideales para la radioterapia, ya que bombardear el tejido oxigenado con radiación libera numerosos radicales libres que causan daño secundario a las células cancerosas.
Los haces de partículas más potentes del mundo son los que se utilizan en los aceleradores de partículas más grandes, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cerca de Ginebra, Suiza. El Gran Colisionador de Hadrones se encuentra en un túnel de 27 km (17 millas) de circunferencia, hasta 175 m (570 pies) bajo tierra. Con un costo de aproximadamente $ 10 mil millones de dólares estadounidenses (dólares estadounidenses), el LHC es una de las máquinas más grandes y caras jamás construidas.