Οι φυσικοί χρησιμοποιούν τους επιταχυντές σωματιδίων στην προσπάθειά τους να κατανοήσουν την ενότητα της φύσης στο βαθύτερο επίπεδο, να δώσουν απάντηση σε μερικά από τα θεμελιώδη ερωτήματα για το φυσικό κόσμο. Αυτές οι τεραστίων διαστάσεων μηχανές επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια μέχρι περίπου την ταχύτητα του φωτός και στη συνέχεια τα συντρίβουν το ένα πάνω στο άλλο, καταγράφοντας τον κατακλυσμό υποατομικών σωματιδίων που παράγονται κατά τη διαδικασία αυτή. Στην αναζήτησή τους για νέα σωματίδια που ακόμα δεν έχουν ανακαλυφθεί, χρειάζονται όλο και ισχυρότερους και κατά συνέπεια μεγαλύτερους επιταχυντές.

Αυτή τη στιγμή, ο ισχυρότερος επιταχυντής είναι ο LHC (Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων) που κατασκευάζει ο CERN (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών) στα γαλλοελβετικά σύνορα. Η διάμετρος αυτής της μηχανής θα είναι 8,6 χιλιόμετρα! Οταν ολοκληρωθεί το 2007, θα μπορεί να προκαλέσει συγκρούσεις πρωτονίων με ενέργεια 14 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ (14.000.000 MeV) και οι φυσικοί ελπίζουν ότι από τα πειράματα αυτά θα ανακαλυφθεί το σωματίδιο στο οποίο όλα τα άλλα οφείλουν τη μάζα τους (μποζόνιο Χιγκς). Με χρήση επιταχυντών, οι επιστήμονες επιδιώκουν να απαντήσουν και σε ερωτήματα όπως: γιατί το ορατό σύμπαν φαίνεται να περιέχει πολλή ύλη και σχεδόν καθόλου αντιύλη, τι συμβαίνει στην κατάσταση της ύλης που ονομάζεται πλάσμα κουάρκ - γλουονίων κτλ.;

Ολοι αυτοί οι επιταχυντές στηρίζονται σε παλιά τεχνολογία. Κάθε δεκαετία κατασκευαζόταν και ένας μεγαλύτερος που ήταν ισχυρότερος κατά 10 φορές σε σχέση με τον προηγούμενο. Ομως, πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτές οι μηχανές πλησιάζουν αξεπέραστα τεχνικά και ιδίως οικονομικά όρια. Κανείς δεν ξέρει αν θα κατασκευαστεί ο γραμμικός επιταχυντής μήκους 30 χιλιομέτρων που είναι το επόμενο βήμα μετά τον LHC του CERN. Ηδη οι ΗΠΑ έκαναν πίσω από την κατασκευή ενός επιταχυντή διπλάσιας ισχύος από τον LHC.

Πάνω στην ώρα, ερευνητές ανακάλυψαν νέες τεχνικές για την επιτάχυνση σωματιδίων, αξιοποιώντας την τέταρτη κατάσταση της ύλης (πέρα από τη στερεά, την υγρή και την αέρια), την κατάσταση πλάσματος. Η τεχνική αυτή δείχνει ικανή να οδηγήσει στην κατασκευή επιταχυντών ισχύος 100.000 MeV και πολύ μικρότερου μεγέθους από τους σημερινούς. Αν και ακόμα δεν έχει δοκιμαστεί στα όρια ισχύος που δουλεύει η σύγχρονη πυρηνική φυσική, θεωρείται ότι είναι δυνατόν η επιτάχυνση με πλάσμα να χρησιμοποιηθεί σαν τελευταίο στάδιο των συμβατικών επιταχυντών (κάτι σαν μηχανισμός τούρμπο σε κινητήρα αυτοκινήτου), ώστε με μικρό κόστος να διπλασιάζεται η ισχύς του επιταχυντή.

Ομως οι επιταχυντές μεγάλης ισχύος είναι μόνο η μια πλευρά της ιστορίας. Σε πολλές περιπτώσεις χρειάζονται επιταχυντές μικρότερης ισχύος (100 -1.000 MeV), όπως σε πειράματα της επιστήμης υλικών, της δομικής βιολογίας, της πυρηνικής ιατρικής, της έρευνας για την πυρηνική σύντηξη, της αποστείρωσης τροφίμων, της επεξεργασίας πυρηνικών αποβλήτων, αλλά και της θεραπείας ορισμένων μορφών καρκίνου. Οι επιταχυντές πλάσματος μπορούν να δώσουν ικανοποιητική απάντηση σε τέτοιες ανάγκες, αφού οι μικρότεροι απ' αυτούς χωράνε πάνω σε ένα τραπέζι!

Οι συμβατικοί γραμμικοί επιταχυντές επιταχύνουν τα σωματίδια μέσω ενός ηλεκτρικού πεδίου που κινείται σε συγχρονισμό μ' αυτά. Το πρόβλημα είναι ότι αν το ηλεκτρικό πεδίο ξεπεράσει μια ορισμένη ένταση, τότε αρχίζουν ηλεκτρικές εκκενώσεις μεταξύ των μεταλλικών στοιχείων της κατασκευής του επιταχυντή. Ετσι, η ένταση του πεδίου πρέπει να περιορίζεται σε ορισμένα όρια, με αποτέλεσμα να χρειάζεται μεγαλύτερη διαδρομή εφαρμογής του πεδίου πάνω στα σωματίδια.

Σε έναν επιταχυντή πλάσματος, το ρόλο της δομής που επιταχύνει παίζει το πλάσμα, δηλαδή ένα ιονισμένο αέριο. Αντί να αποτελεί πρόβλημα, η ηλεκτρική κατάρρευση είναι μέρος της αρχιτεκτονικής του συστήματος (το πλάσμα είναι ιόντα). Στη θέση της ακτινοβολίας μικροκυμάτων που χρησιμοποιούν οι συμβατικοί επιταχυντές ως πηγή ενέργειας, οι επιταχυντές πλάσματος χρησιμοποιούν μια ακτίνα λέιζερ ή μια ακτίνα φορτισμένων σωματιδίων (π.χ. ηλεκτρονίων). Τα επιταχυνόμενα σωματίδια είναι σαν να σερφάρουν πάνω σε ένα κύμα που βρίσκεται διαρκώς πίσω τους και τα σπρώχνει. Ας αρχίσουν, λοιπόν, οι κυματοδρομίες!