夸克–胶子等离子体（QGP）是一种物质状态，其中夸克、反夸克和胶子不再被禁闭于单个强子内部，而是构成在较大空间范围内延展、彼此相互作用的介质。这种状态出现在极高的温度和能量密度下，由描述强相互作用的理论——量子色动力学（QCD）加以刻画。实验通过高能原子核碰撞产生短暂存在的液滴，从而研究类似于大爆炸后最初几微秒内存在的物质。尽管名称中有“等离子体”，但这些碰撞产生的QGP主要表现为强相互作用流体，而非稀薄气体。(home.cern)
物理基础
在普通核物质中，色禁闭将夸克和胶子限制在复合粒子内部，包括质子和中子。它们的色荷是量子色动力学中的一种荷，与视觉上的颜色无关。在QGP中，携带色荷的组分参与构成的介质，其空间范围超出了单个强子的尺度。解禁闭并不意味着相互作用消失，也不意味着介质冷却后可以收集到孤立的夸克。(arxiv.org)
量子色动力学具有渐近自由性质：在足够高的动量尺度上，相互作用强度会减小。这一性质是早期研究者预期极高温下会出现相互作用较弱的夸克–胶子气体的依据之一。然而，在实验可达到的转变温度附近，等离子体表现出显著的集体相互作用。因此，必须区分解禁闭与弱耦合这两个概念。(arxiv.org)
普通等离子体的典型组分是带电的离子和电子，而QGP则以强相互作用组分及色场的行为来定义。“等离子体”的这两种用法都包含介质中存在可移动载荷子的概念，但其背后的基本相互作用不同。(arxiv.org)
温度与QCD转变
研究者利用格点量子色动力学研究向QGP的转变，这种方法在离散化的时空格点上对理论进行数值计算。采用物理夸克质量、且净重子密度近似为零时，计算结果表明，这一转变是平滑的交叉过渡，而非突变的一阶相变。以热能单位表示，交叉过渡的特征温度约为155 MeV，对应约1.8万亿开尔文。由于转变是渐进的，不同可观测量所给出的特征温度不一定完全相同。(indico.bnl.gov)
QCD状态方程描述压强、能量密度及其他热力学量之间的关系，为微观计算与碰撞产生物质的宏观膨胀之间提供了重要联系。在更高的净重子密度下，相结构尚未得到充分确立；相关研究正在探索是否存在一阶相变及其对应的临界点。这些可能性是有待研究的问题，而非每个QGP系统都必然具有的特征。(bnl.gov)
产生方式与实验历史
重原子核，尤其是金核或铅核，在高能碰撞中将能量沉积到一个很小的区域内。由此产生的物质随后膨胀、冷却，并经历强子化，形成最终由探测器记录的粒子。因此，实验是通过碰撞产物推断等离子体的性质，而非观测稳定存在的QGP样品。粒子分布、关联和能量损失从不同角度提供了有关其演化的信息。(home.cern)
2000年2月10日，欧洲核子研究组织宣布，其超级质子同步加速器重离子研究计划发现了支持一种新型解禁闭物质状态的证据。这一公告综合了多个实验的结果，指出所产生的物质呈现出预期属于QGP的特征。(home.cern)
在布鲁克海文国家实验室，相对论重离子对撞机（RHIC）进一步拓展了这些研究。2005年4月18日，其四个实验合作组报告称，金–金碰撞产生的高温高密度物质，其行为更接近强相互作用液体，而不是许多研究者此前预期的弱相互作用气体。(bnl.gov)
大型强子对撞机提供了另一种实验环境。其中的ALICE实验专门用于研究极高能量密度下的强相互作用物质。ATLAS和CMS也开展重离子碰撞研究，包括研究介质如何改变高能粒子的产生。(home.cern)
流体行为与实验探针
QGP的一个重要信号是集体流：发射粒子的动量反映了压强驱动的膨胀以及初始碰撞区域的几何形状。在非中心碰撞中，重叠区域具有各向异性，使粒子发射呈现出特征性的方向差异。采用相对论流体力学的描述能够再现这些分布模式的重要特征，支持将QGP理解为一种集体演化的流体。(bnl.gov)
其黏度与熵密度之比较小。“近乎完美的液体”这一说法指的是耗散效应很小，并非黏度严格为零。提取输运系数需要对初始条件、膨胀过程以及后续的强子阶段进行建模；所得数值是推断出来的，而非使用常规黏度计直接测得。(bnl.gov)
另一种重要探针是喷注淬灭。在初始硬碰撞中产生的高能夸克或胶子穿过介质时会损失能量，从而改变最终形成的粒子喷注。研究者将喷注的产额、内部结构及动量平衡与参照碰撞进行比较，以探究能量和动量如何传递给等离子体。(home.cern)
重夸克提供了额外的探针。其扩散、能量损失以及最终形成重味强子的过程，可用于约束微观相互作用和输运性质。重夸克–反夸克束缚态也会对周围介质作出响应。解释这些测量结果时，需要同时考虑介质内的演化和强子化，因此，建立自洽的物理图景需要综合多个可观测量，而不能仅依靠某一种独有信号。(arxiv.org)
宇宙学背景
在宇宙学中，QGP描述的是早期宇宙中的强相互作用组分，当时宇宙尚未冷却到由强子占据主导地位的阶段。实验室碰撞能够再现这种高温QCD物质的某些方面，却无法重现完整的宇宙学环境：碰撞系统尺度有限且迅速膨胀，而原初介质则在膨胀的宇宙中演化。二者的联系在于共同的微观物理规律和热力学性质，而不在于相同的尺度、寿命或组成。(home.cern)