Μια δέσμη σωματιδίων είναι μια δέσμη επιταχυνόμενων σωματιδίων, συνήθως φορτισμένων σωματιδίων (ιόντων). Οι πραγματικές εφαρμογές μιας δέσμης σωματιδίων περιλαμβάνουν επιταχυντές σωματιδίων (“smashers”), στη φυσική του πλάσματος, τηλεοράσεις με καθοδικούς σωλήνες, οθόνες υπολογιστών και σε θεραπείες καρκίνου. Μετά από μια σύντομη αναταραχή έρευνας για τα όπλα δέσμης σωματιδίων στη δεκαετία του 1980, τέτοιες έρευνες ως επί το πλείστον σταμάτησαν, με τα λέιζερ και άλλα κατευθυνόμενα ενεργειακά όπλα να τραβούν την προσοχή και τα ερευνητικά δολάρια στις μέρες μας. Ένα φυσικό παράδειγμα δέσμης σωματιδίων θα ήταν ο κεραυνός, όπου τα ηλεκτρόνια κάνουν ένα άλμα από αρνητικά φορτισμένα σύννεφα στο ουδέτερο έδαφος.
Οι περισσότεροι τύποι δέσμης σωματιδίων αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια όπως πρωτόνια ή ηλεκτρόνια, επειδή τα φορτισμένα σωματίδια είναι εύκολο να επιταχυνθούν με τη χρήση μαγνητών. Οι περισσότερες δέσμες σωματιδίων δημιουργούνται με τη διέλευση ενός ρεύματος σωματιδίων μέσω μιας σειράς συσκευών, καθεμία από τις οποίες προσδίδει μια μικρή ώθηση στη δέσμη, μέχρι να επιταχυνθεί σε σημαντική ταχύτητα. Σε ορισμένους επιταχυντές σωματιδίων, αυτή η ταχύτητα μπορεί να φτάσει το 99.999% της ταχύτητας του φωτός. Οι δέσμες σωματιδίων που αποτελούνται από ηλεκτρόνια τείνουν να είναι οι πιο γρήγορες, καθώς αυτά τα σωματίδια είναι περισσότερο από χίλιες φορές ελαφρύτερα από τα πρωτόνια και έτσι μπορούν να επιταχυνθούν πιο εύκολα.
Αν και ο όρος “δέσμη σωματιδίων” έχει μια αίσθηση επιστημονικής φαντασίας, οι δέσμες σωματιδίων βρίσκονται σε όλες τις τηλεοράσεις με καθοδικούς σωλήνες. Ακόμη και όλα τα ηλεκτρικά καλώδια μπορεί να θεωρηθεί ότι περιέχουν ένα είδος δέσμης σωματιδίων ηλεκτρονίων, παρόλο που η διαδρομή τους είναι σπάνια γραμμική. Σε μια τηλεόραση καθοδικού σωλήνα, μια δέσμη σωματιδίων παράγεται από ένα πιστόλι ηλεκτρονίων. Το όπλο ηλεκτρονίων εκτοξεύει ηλεκτρόνια σε μια φθορίζουσα οθόνη, η οποία ανάβει ως απόκριση στα εισερχόμενα σωματίδια, παράγοντας μια εικόνα.
Μια καινοτόμος χρήση των ακτίνων σωματιδίων είναι στην ακτινοθεραπεία, όπου μια δέσμη σωματιδίων κατευθύνεται για να σκοτώσει τα καρκινικά κύτταρα. Το μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η βλάβη στα υγιή κύτταρα και ο κίνδυνος υπερβολικής έκθεσης σε ακτινοβολία. Ο μηχανισμός δράσης είναι η ακτινοβολία που καταστρέφει το DNA των κακοήθων κυττάρων, με αποτέλεσμα να μην μπορούν να αυτοαναπαραχθούν. Μια πρόκληση σε αυτόν τον τύπο ακτινοθεραπείας είναι ο σχηματισμός όγκων χαμηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο – όγκοι που ξεπερνούν την παροχή αίματος. Οι όγκοι με υψηλά επίπεδα οξυγόνου είναι ιδανικοί για ακτινοθεραπεία, καθώς βομβαρδίζοντας τον οξυγονωμένο ιστό με ακτινοβολία απελευθερώνονται πολυάριθμες ελεύθερες ρίζες που προκαλούν δευτερογενή βλάβη στα καρκινικά κύτταρα.
Οι πιο ισχυρές δέσμες σωματιδίων στον κόσμο είναι αυτές που χρησιμοποιούνται στους μεγαλύτερους επιταχυντές σωματιδίων, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων βρίσκεται σε μια σήραγγα 27 km (17 mi) σε περιφέρεια, έως και 175 m (570 πόδια) υπόγεια. Με κόστος περίπου 10 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ (Δολάρια ΗΠΑ), το LHC είναι ένα από τα μεγαλύτερα και πιο ακριβά μηχανήματα που κατασκευάστηκαν ποτέ.