Ένας επιταχυντής σωματιδίων είναι μια φυσική συσκευή που χρησιμοποιεί ηλεκτρικά πεδία για να επιταχύνει φορτισμένα σωματίδια σε τεράστιες ταχύτητες, μερικές φορές σημαντικά κλάσματα της ταχύτητας του φωτός. Τα κοινά σωματίδια που μπορούν να βρεθούν στους επιταχυντές σωματιδίων περιλαμβάνουν πρωτόνια και ηλεκτρόνια, τα δομικά στοιχεία του ατόμου.
Ένας επιταχυντής σωματιδίων χρησιμοποιείται για την παρατήρηση της συμπεριφοράς μικρών σωματιδίων σε υψηλές ταχύτητες και ενέργειες, καθώς και για πιο καθημερινούς σκοπούς, όπως η παραγωγή ενός συγκεκριμένου είδους ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Οι επιταχυντές σωματιδίων χρησιμοποιούνται συχνά για να συνθλίψουν τα σωματίδια μεταξύ τους σε πολύ υψηλές ταχύτητες, αποκαλύπτοντας τα πιο θεμελιώδη συστατικά τους. Η γεννήτρια ακτίνων Χ και η τηλεόραση είναι και τα δύο κοινά παραδείγματα επιταχυντών σωματιδίων, με τον ίδιο βασικό σχεδιασμό με τα μεγαλύτερα ξαδέρφια τους που χρησιμοποιούνται σε πειράματα φυσικής υψηλής ενέργειας. Ένας επιταχυντής σωματιδίων εμπίπτει σε μία από τις δύο κατηγορίες: κυκλικούς ή γραμμικούς.
Σε έναν επιταχυντή κυκλικών σωματιδίων, τα σωματίδια επιταχύνονται σε μια συνεχή κυκλική διαδρομή. Το πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι το σωματίδιο μπορεί να κατευθυνθεί σε κύκλο πολλές φορές, εξοικονομώντας υλικό. Το μειονέκτημα είναι ότι τα σωματίδια σε κυκλικούς επιταχυντές εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που ονομάζεται ακτινοβολία σύγχροτρον. Επειδή η ορμή τους τα ενθαρρύνει συνεχώς να πετάξουν σε μια τροχιά εφαπτομένη στον κύκλο, η ενέργεια πρέπει να δαπανάται συνεχώς για να τους κρατήσει στην κυκλική διαδρομή, που σημαίνει ότι οι κυκλικοί επιταχυντές σωματιδίων είναι λιγότερο αποδοτικοί. Στους μεγάλους επιταχυντές, η ακτινοβολία σύγχροτρον είναι τόσο έντονη που ολόκληρος ο επιταχυντής πρέπει να είναι θαμμένος υπόγεια για να διατηρηθούν τα πρότυπα ασφαλείας. Ο επιταχυντής σωματιδίων Fermilab στο Ιλινόις έχει μια κυκλική διαδρομή 4 μιλίων (6.43 km).
Οι γραμμικοί επιταχυντές εκτοξεύουν σωματίδια σε ευθεία γραμμή σε σταθερό στόχο. Ο σωλήνας καθοδικών ακτίνων στην τηλεόρασή σας είναι ένας επιταχυντής σωματιδίων χαμηλής ενέργειας, ο οποίος εκτοξεύει φωτόνια στην περιοχή του ορατού φωτός σε μια γυάλινη πλάκα, την οθόνη. Το ρεύμα των φωτονίων ανακατευθύνεται συνεχώς για να γεμίσει την οθόνη με pixel. Αυτή η ανακατεύθυνση γίνεται αρκετά γρήγορα ώστε να αντιληφθούμε την εναλλασσόμενη ροή των φωτονίων ως μια συνεχή εικόνα.
Οι γραμμικοί επιταχυντές υψηλής ενέργειας, ή linacs, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές φυσικής. Εναλλακτικά, μια σειρά πλακών έλκει και απωθεί τα φορτισμένα σωματίδια που κινούνται μέσα από αυτά, τραβώντας τα σωματίδια προς τα εμπρός όταν δεν το έχουν περάσει ακόμα και τα ωθούν μακριά αφού περάσουν. Με αυτόν τον τρόπο, τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να επιταχύνουν ρεύματα σωματιδίων σε πολύ υψηλές ταχύτητες και ενέργειες. Οι φυσικοί χρησιμοποιούν αυτούς τους επιταχυντές για να προσομοιώσουν εξωτικές συνθήκες, όπως αυτές στο κέντρο των άστρων ή κοντά στην αρχή του σύμπαντος. Ο «ζωολογικός κήπος σωματιδίων» που περιγράφεται από το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων αποκαλύφθηκε σταδιακά σε πειράματα με επιταχυντές σωματιδίων. Ο μεγαλύτερος επιταχυντής γραμμικών σωματιδίων είναι ο Γραμμικός Επιταχυντής Στάνφορντ με μήκος 2 μίλια (3.2 km).