Eksperyment NA61/SHINE (ang. SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment) jest uznawany w CERN za ważny i komplementarny względem eksperymentów prowadzonych na Wielkim Zderzaczu Hadronów LHC. Dzieje się tak dlatego, że NA61/SHINE dostarcza unikalnych danych, niedostępnych dla innych detektorów. Eksperyment bada zderzenia protonów (proton-proton), hadronów z jądrami atomowymi (hadron-jądro) oraz systemy powstające w zderzeniach jądro-jądro przy relatywistycznych energiach, uzyskiwanych za pomocą wiązek o pędzie laboratoryjnym od 13A do 150A GeV/c). Wśród 26 światowych instytucji naukowych tworzących międzynarodową współpracę NA61/SHINE znajduje się 9 polskich ośrodków: Uniwersytet Warszawski, Uniwersytet Jagielloński, Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Uniwersytet Śląski, Uniwersytet Wrocławski, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Akademia Górniczo-Hutnicza, Politechnika Warszawska i Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach. Polskie instytucje mają wiodącą rolę w funkcjonowaniu NA61/SHINE. Marek Gazdzicki (Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach i Uniwersytet Goethego we Frankfurcie) jest koordynatorem (ang. spokesperson) całego eksperymentu.
Otaczająca nas materia może istnieć w wielu stanach (fazach). Pytania jakie istnieją stany materii i jakie są własności przejść pomiędzy fazami zadawane są od tysiącleci. Pierwszym celem eksperymentu NA61/SHINE jest udzielenia odpowiedzi na to pytanie dla szczególnej formy materii – plazmy kwarkowo-gluonowej (ang. Quark-Gluon Plasma, QGP). Zbadanie własności tego szczególnego stanu oraz charakterystyk przejścia doń od stanu „normalnej”, składającej się z protonów, neutronów i innych cząstek materii, ma bardzo istotne znaczenie dla zrozumienia procesów zachodzących w przestrzeni międzygwiezdnej oraz mechanizmów rządzących naszym Wszechświatem na najwcześniejszych etapach jego istnienia (rzędu jednej mikrosekundy po Wielkim Wybuchu). Celem NA61/SHINE jest pomiar obserwabli których zmiany mogą wskazywać na istnienie takiego przejścia fazowego, a więc np. entropii systemu (związanej z produkcją mezonów π, lub zmian w produkcji cząstek zawierających kwarki dziwny i powabny (ang. strange, charm), takich jak mezony K i D. Uzyskane w ten sposób dane doświadczalne pozwalają na zbadanie związku produkcji takich kwarków z przejściem fazowym do stanu QGP. Kolejne badania, związane z korelacjami, fluktuacjami i intermitencją w produkcji cząstek mają na celu zlokalizowanie Punktu Krytycznego (ang. Critical Point, CP) materii silnie oddziałującej. Punkt krytyczny jest fundamentalną własnością diagramu fazowego dla oddziaływań silnych (zob. ilustracja). Badania efektów elektromagnetycznych w emisji cząstek służą do analizy czasoprzestrzennej ewolucji systemu gorącej materii tworzonej w zderzeniu dwóch ultraszybkich jąder atomowych.
Detektor NA61/SHINE jest urządzeniem wielozadaniowym. Kolejną częścią programu badawczego współpracy są pomiary przekrojów czynnych na zjawisko fragmentacji lekkich i pośrednich jąder atomowych. Pomiary te dostarczają ważnych przesłanek dla zrozumienia i interpretacji danych uzyskanych przez eksperymenty badające wysokoenergetyczne promieniowanie kosmiczne. Między innymi, mają one kluczowe znaczenie dla zrozumienia własności dyfuzyjnej propagacji (ang. diffuse propagation) promieni kosmicznych w galaktyce.
Wśród zadań w agendzie NA61/SHINE znajduje się również uzyskiwanie nowej informacji o krotności (liczbie cząstek), rozkładach pędu i kątów emisji dla „rodziców” (ang. parents) neutrin w wielkich eksperymentach neutrinowych. Neutrina są „nieuchwytnymi” cząstkami które bardzo słabo oddziaływują z materią. Masy neutrin są bardzo małe w porównaniu z wszystkimi innymi posiadającymi masę cząstkami. Co więcej, neutrina oscylują (zmieniają swoją tożsamość) w trakcie propagacji. Badanie takich efektów oscylacji neutrin wymaga bardzo dokładnej wiedzy o strumieniu neutrin „pierwotnych” wyprodukowanych w zderzeniu wiązki protonów o wysokiej intensywności z „tarczą”: jądrem atomowym. Równocześnie, jedynie drobny ułamek takich neutrin pozostawia jakikolwiek „ślad” przejścia przez detektor. Dokładna wiedza doświadczalna na temat „neutrin-rodziców”, połączona ze szczegółową komputerową symulacją ich rozpadów, w znaczący sposób poprawi wiedzę o strumieniu wiązki neutrin, niezbędną do badań własności tych cząstek.