Mithilfe von Zyklo- oder Synchrotronen auf 60 % der Lichtgeschwindigkeit (180.000 km/s entsprechend 250 MeV kinetische Energie) beschleunigte Protonen dringen ca. 38 cm in den Körper ein. Dabei geben sie zunächst nur relativ wenig Energie an die durchquerten molekularen Elektronenwolken ab (niedriger Ionisationsgrad), werden aber doch gebremst, siehe Abbildung 1. Je langsamer die Partikel werden, desto höher die abgegebene Energie und die Abbremsung. Dies führt zu einer „Energieexplosion" am Ende der Teilchenbahn, über bei monoenergetischen Partikeln charakteristischerweise 1–4 Millimeter Gewebetiefe, genannt Bragg-Peak. Vor dem Tumor ist im Gegensatz zur Photonenbestrahlung bei Protonen die Dosis niedriger und nicht höher, hinter dem Tumor bleibt der Patient strahlungsfrei! Dieses physikalische Phänomen erlaubt durch Einstellung der Tiefe des Bragg-Peaks durch Beeinflussung der erzeugten Partikelgeschwindigkeit, die Tiefendosis millimetergenau „dreidimensional" in den Tumor zu zielen und das Nutz-/Schadensstrahlungsverhältnis vorteilhaft umzukehren. Der Bragg-Peak ist so scharf, dass er über den Tumor durch Variation der Teilchengeschwindigkeit „hinweggestrichen" werden muss. Abbildung 2 zeigt die entstehende Dosisverteilung für einen ausgedehnten Tumor: Auch dann bleibt die Erniedrigung der vor dem Tumor abgegeben Dosis erhalten, nach dem Tumor tritt wiederum keine Strahlung mehr auf. Abbildung 4 ist ein direkter Vergleich einer Protonen-Ortsdosisverteilung zu der Photonen-Ortsdosisverteilung der Abbildung 3.

Die das Gewebe penetrierenden Protonen geben – am Ende ihrer Eindringtiefe im Bragg-Peak – ähnliche Energiemengen an die Moleküle ab – zumeist an den Wasserstoff des Zellwassers – wie Photonen. Die Wirkung ist in beiden Fällen die gleiche: die Abspaltung von Elektronen. Das Gewebe „vergisst" anschließend den Grund – Proton oder Photon – für die Abspaltung und die resultierende Ionisation. Die bei beiden Strahlungen identische, bei Protonen aber besser „gezielte" Ionisation wirkt als Zellgift, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Identität der biologischen Wirkungen beider Strahlungsarten erlaubt die Nutzung der gesamten klinischen Empirie für Röntgenstrahlen und gestattet es, die klinische Erfahrung bezüglich der Dosis von Röntgen auf Protonen zu übertragen.

Durch Anwendung von Protonenstrahlen anstelle von Röntgenstrahlen können gleichzeitig die nebenwirkungsbegrenzten therapeutischen Tumordosen erhöht, die Schadensdosen im gesunden Gewebe jedoch verringert werden. Die nun nicht mehr zweidimensionale (durch seitliche Bündelung), sondern mit Protonen jetzt dreidimensionale Zielbarkeit der Strahlen führte in der klinischen Praxis zu einer Verringerung der Schadensdosis im gesunden Gewebe von z. B. 43 bis zu 78 %, je nach Tumorgeometrie. Die Abbildungen 6, 7, 8, 9 und 10 zeigen Vergleiche von Dosisverteilungen am jeweils selben Patienten. Dabei ist links die konventionelle Photonenbestrahlung gezeigt, die die Patienten tatsächlich erhalten haben, in der Mitte die Dosisverteilung mit der fortentwickelten intensitätsmodulierten multiportal Photonenbestrahlung (IMRT) und rechts die Bestrahlung, die mit Protonenbehandlung möglich gewesen wäre. Die feine innere Linie umgrenzt jeweils das Zielgebiet, d. h. den Tumor; die Farben drücken die deponierte Ortsdosis aus.