En partikelstråle är en stråle av accelererade partiklar, vanligtvis laddade partiklar (joner). Verkliga tillämpningar av en partikelstråle inkluderar partikelacceleratorer (”atomkrossare”) i plasmafysik, katodstrålerörs-TV-apparater, datorskärmar och i cancerterapier. Efter en kort uppsjö av forskning om partikelstrålevapen på 1980-talet lades sådana undersökningar till största delen ner, med lasrar och andra riktade energivapen som fick uppmärksamhet och forskningsdollar nuförtiden. Ett naturligt exempel på en partikelstråle skulle vara blixten, där elektroner gör ett hopp från negativt laddade moln till den neutrala marken.
De flesta typer av partikelstråle består av laddade partiklar som protoner eller elektroner, eftersom laddade partiklar är lätta att accelerera med hjälp av magneter. De flesta partikelstrålar skapas genom att köra en ström av partiklar genom en serie anordningar, som var och en ger en liten knuff till strålen, tills den accelereras till en betydande hastighet. I vissa partikelacceleratorer kan denna hastighet vara så mycket som 99.999 % av ljusets hastighet. Partikelstrålar som består av elektroner tenderar att vara snabbast, eftersom dessa partiklar är mer än tusen gånger lättare än protoner och därmed lättast kan accelereras.
Även om termen ”partikelstråle” har en sci-fi-känsla, finns partikelstrålar i alla TV-apparater med katodstrålerör. Även alla elektriska kablar kan anses innehålla en sorts elektronpartikelstråle, även om deras väg sällan är linjär. I en TV med katodstrålerör produceras en partikelstråle av en elektronkanon. Elektronpistolen avfyrar elektroner mot en fluorescerande skärm, som lyser upp som svar på de inkommande partiklarna, vilket ger en bild.
En innovativ användning av partikelstrålar är i strålterapi, där en partikelstråle riktas mot att döda cancerceller. Nackdelen med detta tillvägagångssätt är skador på friska celler och risken för överdriven exponering för strålning. Verkningsmekanismen är strålningen som skadar DNA från maligna celler, vilket gör att de blir oförmögna att självreproducera sig. En utmaning i denna typ av strålbehandling är bildandet av tumörer med låg syrehalt – tumörer som växer ur sin blodtillförsel. Tumörer med höga nivåer av syre är idealiska för strålbehandling, eftersom bombardering av den syresatta vävnaden med strålning frigör många fria radikaler som orsakar sekundär skada på cancerceller.
De mest kraftfulla partikelstrålarna i världen är de som används i de största partikelacceleratorerna, såsom Large Hadron Collider (LHC) nära Genève, Schweiz. Large Hadron Collider ligger i en tunnel 27 km (17 mi) i omkrets, så mycket som 175 m (570 fot) under jorden. Till en kostnad av cirka 10 miljarder USD (US-dollar) är LHC en av de största och dyraste maskinerna som någonsin byggts.