Un flux de particules accélérées utilisé dans les expériences.Un faisceau de particules est un flux dirigé de particules chargées ou neutres, telles que des électrons, des protons ou des ions, accélérées à des vitesses élevées, souvent proches de la vitesse de la lumière. Les faisceaux de particules sont les outils principaux pour sonder la structure fondamentale de la matière en physique des particules, mais ils trouvent également des applications en médecine, en science des matériaux et même dans les procédés industriels. Le comportement des faisceaux de particules est régi par l'électromagnétisme et la relativité restreinte, et leur manipulation requiert des champs magnétiques et électriques précis.
Le concept de faisceau de particules est apparu au début du XXe siècle avec le développement des tubes cathodiques, mais l'ère moderne a commencé avec l'invention du cyclotron par Ernest Lawrence en 1931, qui a permis d'accélérer des particules à des énergies élevées pour les expériences de physique nucléaire.
Les particules sont générées dans une source, puis accélérées par des champs électriques dans un accélérateur linéaire ou un anneau circulaire. Des champs magnétiques guident et focalisent le faisceau, maintenant les particules sur une trajectoire définie. À mesure que les particules gagnent de l'énergie, leur vitesse approche celle de la lumière et les effets relativistes deviennent significatifs. Le faisceau peut être dirigé vers une cible pour produire des collisions, ou extrait pour être utilisé dans des expériences ou des applications. La qualité du faisceau est caractérisée par des paramètres tels que l'intensité, l'émittance (étalement en position et en impulsion) et la polarisation.
Les faisceaux de particules sont utilisés en thérapie contre le cancer (protonthérapie), dans les sources de lumière synchrotron pour la recherche sur les matériaux, et dans les accélérateurs industriels pour l'implantation ionique dans les semi-conducteurs.
Les faisceaux de particules peuvent produire des impulsions de rayons X attosecondes, permettant aux scientifiques de capturer le mouvement des électrons en temps réel.