La terapia con ioni pesanti consiste nell'uso di particelle di massa maggiore rispetto ai protoni o ai neutroni, come gli ioni di carbonio. Rispetto ai protoni, gli ioni di carbonio hanno il vantaggio di avere una maggiore densità di ionizzazione al termine del loro cammino, in questo modo i danni della struttura del DNA all'interno della cellula si verificano più frequentemente e così diventa più difficile per la cellula cancerosa riparare il danno. Ciò aumenta l'efficienza biologica della dose di un fattore tra 1,5 e 3. Rispetto ai protoni, gli ioni carbonio hanno lo svantaggio che oltre al picco di Bragg, la dose non diminuisce a zero poiché le reazioni nucleari tra gli ioni di carbonio e gli atomi del tessuto portano alla produzione di ioni più leggeri. Di conseguenza si verificano danni anche oltre al picco di Bragg.