Un faisceau de particules est un faisceau de particules accélérées, généralement des particules chargées (ions). Les applications réelles d’un faisceau de particules comprennent les accélérateurs de particules (atom smashers), la physique des plasmas, les téléviseurs à tube cathodique, les écrans d’ordinateur et les thérapies contre le cancer. Après une brève rafale de recherches sur les armes à faisceau de particules dans les années 1980, ces recherches ont pour la plupart été abandonnées, les lasers et autres armes à énergie dirigée attirant l’attention et les dollars de recherche de nos jours. Un exemple naturel de faisceau de particules serait la foudre, où les électrons font un saut des nuages chargés négativement au sol neutre.
La plupart des types de faisceaux de particules sont constitués de particules chargées telles que des protons ou des électrons, car les particules chargées sont faciles à accélérer à l’aide d’aimants. La plupart des faisceaux de particules sont créés en faisant passer un flux de particules à travers une série de dispositifs, dont chacun donne un petit coup de pouce au faisceau, jusqu’à ce qu’il soit accéléré à une vitesse significative. Dans certains accélérateurs de particules, cette vitesse peut atteindre 99.999 % de la vitesse de la lumière. Les faisceaux de particules constitués d’électrons ont tendance à être les plus rapides, car ces particules sont plus de mille fois plus légères que les protons et peuvent donc être accélérées plus facilement.
Bien que le terme « faisceau de particules » ait une impression de science-fiction, les faisceaux de particules se trouvent dans tous les téléviseurs à tube cathodique. Même tous les câbles électriques peuvent être considérés comme contenant une sorte de faisceau de particules électroniques, même si leur trajet est rarement linéaire. Dans un téléviseur à tube cathodique, un faisceau de particules est produit par un canon à électrons. Le canon à électrons tire des électrons sur un écran fluorescent, qui s’illumine en réponse aux particules entrantes, produisant une image.
Une utilisation innovante des faisceaux de particules est la radiothérapie, où un faisceau de particules est dirigé pour tuer les cellules cancéreuses. L’inconvénient de cette approche est l’endommagement des cellules saines et le risque d’exposition excessive aux rayonnements. Le mécanisme d’action est le rayonnement qui endommage l’ADN des cellules malignes, les rendant incapables de se reproduire. L’un des défis de ce type de radiothérapie est la formation de tumeurs à faible teneur en oxygène, des tumeurs qui dépassent leur apport sanguin. Les tumeurs avec des niveaux élevés d’oxygène sont idéales pour la radiothérapie, car le bombardement des tissus oxygénés avec des radiations libère de nombreux radicaux libres qui causent des dommages secondaires aux cellules cancéreuses.
Les faisceaux de particules les plus puissants au monde sont ceux utilisés dans les plus grands accélérateurs de particules, tels que le Large Hadron Collider (LHC) près de Genève, en Suisse. Le Grand collisionneur de hadrons se trouve dans un tunnel de 27 km (17 mi) de circonférence, jusqu’à 175 m (570 pi) sous terre. D’un coût d’environ 10 milliards de dollars américains (dollars américains), le LHC est l’une des machines les plus grandes et les plus chères jamais construites.