眾所周知，物質有三態：固態、液態和氣態。另外，當體系的溫度充分高時，劇烈的熱運動可以抵消帶正負電荷的粒子之間的吸引電磁相互作用，形成物質的第四態——電磁等離子體。原子彈爆炸後的瞬間就可以產生大範圍的電磁等離子體。如同電子是電磁相互作用的最小粒子，夸克和膠子是目前人們認識的強相互作用的最小單元。一個自然的問題是：類似於電磁等離子體，是否存在由強相互作用控制的夸克膠子等離子體(quark-gluon plasma，QGP)？
原子核由核子構成，包括質子和中子，質子帶正電， 中子不帶電。核子在原子核中排布得非常緊密， 其數密度高達n0 = 0.16 fm-3 =1.6 × 1044 m-3 。比較一下常溫下液態水中的水分子數密度， 3.3 × 1028 m-3 ，就知道n0 是多大的一個值。那麼是什麼力使得核子在原子核中聚攏得如此緊密呢？顯然這個力一定不是電磁力，因為中子不帶電，它感受不到電磁力。而且這個力必須比電磁力強得多，否則質子之間的電磁排斥力就會使得原子核分崩離析。由於歷史的原因，這個力被簡單地稱為核力。兩個核子在距離大約1 fm時表現為極強的吸引力，這是核子能夠緊密聚集在一起構成原子核的原因。但當距離大於2 fm 以上時核力隨著核子間距離的增大迅速衰減，這使得我們在宏觀尺度上感受不到核力的存在。另一方面，在距離小於約0.7 fm 時核力表現為排斥力，這保證了原子核能穩定地存在，否則若核力一直為吸引力那麼核子就會不斷靠近從而使得原子核塌縮掉。核力的這些奇特性質可以通過把核力歸結為是由於核子之間交換一類稱為介子的粒子而產生的來理解。但實際上，核力不是一種基本的相互作用，它只是夸克之間色相互作用的一種體現。
核子由夸克和膠子組成。和電子一樣，夸克也是一種費米子，具有兩個自旋自由度。除此之外，夸克還有一種稱為「味道」的自由度。目前發現的夸克共有6 種味道，分別叫上(u)，下(d)，奇異(s)，粲(c)，底(b)和頂(t)夸克。質子就是由兩個u 夸克和一個d 夸克組成的。夸克也帶電荷，但與電子和質子不同，夸克帶分數電荷，譬如u夸克帶2e/3 的電量，而d 夸克帶-e/3 的電量。由於帶電，夸克之間會感受到電磁力，但是電磁力的強度遠不足以使夸克束縛在核子中。夸克之間一定還存在比電磁力強得多的力和相應的荷。這種荷被稱為「顏色」，帶「色」的粒子之間的力就是色相互作用力，而傳遞色相互作用的媒介粒子就是膠子，正如傳遞電磁力的媒介粒子是光子一樣。與電磁相互作用不同的是，色相互作用的荷有三種，可稱為紅、綠、藍(這樣命名顯然是借用了單色光的三原色分解法)，這樣傳遞色相互作用的膠子就有8 種。描述色相互作用的量子理論是在20 世紀70 年代建立的量子色動力學(QCD)。直到今天，我們對於色相互作用的理解還遠遠不夠，對它們的研究是當今高能核物理學的重要課題之一。
與描述一種荷(即電荷)之間的電磁相互作用的量子電動力學(QED)不同，描述三種荷(即三種色)之間的色相互作用的QCD 是非Abelian 規範場論。「非Abelian」意味著不可對易性，即描述三種色荷的矩陣間的乘法是不可對易的，AB ≠ BA 。這種性質導致QCD具有迥異於QED的性質，比如，傳遞色相互作用的膠子本身也是帶色荷的，因而膠子之間也有色相互作用。而在QED中，傳遞電磁相互作用的光子是電中性的，光子之間沒有直接相互作用。QCD的這種非Abelian性質導致了色相互作用的兩個重要的特徵：高能區間的漸近自由和低能區間的色禁閉。
漸近自由是指，當兩個色荷距離很近(按照量子力學的測不準關係，即能量很高)時色相互作用變弱(注意，電磁相互作用在距離很近時變強)。這一性質是由Gross 和Wilczek 以及Politzer 在1973 年分別獨立發現的，他們也因此獲得2004年諾貝爾物理學獎。漸近自由根源於膠子帶色荷這一事實：帶色的膠子對色荷有反屏蔽效應，而這反屏蔽效應要強於夸克—反夸克造成的屏蔽效應，從而使得距離色荷越遠感受到的有效色荷越多，即相互作用越強；越近感受到的有效色荷越少，即相互作用越弱。而對於QED來說，光子是不帶電的，無法提供對電荷的反屏蔽，電荷只受到電子—正電子的屏蔽效應，從而距離電荷越遠感受到的有效電荷越少。QCD的漸近自由告訴我們，在足夠高的能量下，色相互作用會變得很弱以至於無法將夸克和膠子束縛在強子中，從而有可能形成一種新的，由夸克和膠子作為基本自由度的物質形態，即QGP。
與此相反，色禁閉是指在大距離或者低能量時，夸克和膠子束縛在色中性的強子中。這導致孤立的夸克和膠子是無法被觀測到的。事實上，我們確實從未觀測到過孤立的夸克和膠子。儘管大多數人都相信色禁閉是可以從QCD 推導出來的，而且大量的基于格點QCD的計算也支持色禁閉，但迄今為止還沒有人能夠嚴格地證明這一點。這一難題是新世紀七大百萬獎金數學難題之一。
綜上所述，隨著能量的增加，色禁閉會被打破，夸克和膠子會從強子中釋放出來，其臨界能量被稱為QCD的禁閉能標， ΛQCD 約為200 MeV。若把這一能標換算為溫度，即得到能使夸克和膠子退禁閉的臨界溫度， TC 約為2.3 × 1012 K 。這是極高的溫度，它比太陽的表面溫度(大約6000 K)還要高近4 億倍。因此，實現解禁閉的條件極為苛刻，在地球表面上只有相對論重離子碰撞實驗才能做到這一點。
如何使夸克和膠子獲得足夠的能量從強子中解禁閉？有兩種可能的解禁閉的圖像。第一種方法是給強子體系加熱。隨著溫度的升高，越來越多的強子從真空中被激發出來。當強子的數量大到它們的波函數彼此重疊時，夸克和膠子就不再屬於某個強子，而是在整個體系中運動。這時，基本的熱力學自由度不再是強子而是夸克和膠子，強子系統就轉變為夸克和膠子系統，即QGP。按照上文的討論，臨界溫度TC 大約為200 MeV。此估計得到了格點QCD理論計算的支持。
第二種方法是壓縮強子物質。保持溫度不變(比如T=0)，但對體系進行壓縮。隨著體系體積的縮小，強子數密度越來越大，也能使強子波函數互相重疊，從而使得夸克不再束縛於某個強子，強子物質轉變為退禁閉的夸克膠子物質。在T = 0但有限核子數密度的情況下，無法進行QCD格點計算，不能直接從QCD得到解禁閉的臨界核子數密度。有效模型估計該臨界密度大概為幾倍於上文提到的正常核物質的密度n0 。基於上述討論，可以定性地估計在溫度—重子數密度nB (強子分為重子和介子兩類，核子屬於重子)或者溫度—重子化學勢μB 平面上的QCD相圖：低溫低密度時體系處於強子相，而高溫高密度時處於夸克膠子物質相。
上文的討論都是解禁閉相變。按照Landau 相變理論，體系對稱性的改變就是相變。QCD理論的另一個重要的對稱性是手徵對稱性。把夸克分成右手和左手兩類：夸克的自旋方向和動量方向平行的是右手，反平行的是左手。在忽略夸克質量時，QCD的哈密頓量在左手和右手互換這種手徵變換下保持不變。但是作為QCD的質量本徵態的強子卻不具有手徵對稱性，兩個被手徵變換關聯著的強子可以有非常不一樣的質量，這一現象叫手徵對稱性自發破缺。類似於QED中電子—電子的Cooper 對凝聚，手徵對稱性的自發破缺由夸克—反夸克對的凝聚導致。手徵對稱性破缺的重要意義在於產生強子質量：我們周圍物質質量的97%來源於手徵對稱性的自發破缺。類似於普通超導體中Cooper 對凝聚會在高溫下熔解一樣，手徵凝聚在高溫下也會熔解，從而使手徵對稱性恢復。另一方面，由於夸克和反夸克攜帶相反的重子數，它們的費米面高度差會使得夸克與反夸克的配對變得困難。當重子數密度充分高時，夸克—反夸克凝聚消失，手徵對稱性恢復。這個從自發破缺到恢復的過程稱為手徵相變。對於解禁閉和手徵恢復兩個臨界溫度的關係，1983 年Kogut等人的格點QCD計算顯示，至少在重子數密度為零時，退禁閉相變溫度和手徵相變溫度是重合的，這一點被後來大量的格點計算驗證。
80 年代以來，人們做了大量的工作來研究QCD相圖。目前為止我們對QCD相圖的理解可以概括在圖1 中。相比於初期的相圖，圖1 豐富了很多，其中有如下幾個顯著的特徵，它們標誌了過去30多年我們對QCD相圖理解的不斷進步。
圖1 QCD相圖
(1)手徵臨界點。如果輕夸克u 和d 是無質量的， μB = 0 時的格點QCD表明手徵相變是一個二階相變。但是，實際情形中u 和d 夸克都有一個小質量，使得手徵相變實際上是一個光滑過渡(crossover)。另一方面，在溫度較低時，大量的模型計算顯示手徵相變是一階相變。基於此，在1989 年Asakawa 和Yazaki 就猜測手徵相變線上應該存在一個臨界點，它是一階相變線的終止點(如同水的臨界點一樣)。但是手徵臨界點的存在以及位置仍然是沒有解決的問題，它的尋找和定位是當前相對論重離子碰撞實驗的重要任務之一。
(2)色超導相。普通的電超導體是由於在費米面附近的兩個電子配成Cooper 對，而後在低溫下發生凝聚造成的。這種凝聚使得對應於電荷守恆的U(1) 定域對稱性自發破缺。類似的，在高重子化學勢下，夸克的費米面附近也會發生由兩個夸克配成的Cooper 對，在低溫下這些Cooper 對也會凝聚。由於Cooper 對不是色中性的，這種凝聚就破壞了色荷的SU(3) 定域對稱性，所以叫色超導。值得一提的是，產生配對的吸引相互作用在QED 中只有在集體激發模式(聲子)層次才會出現，而在QCD 中可以在基本的夸克膠子層次出現。這使得色超導是一種「高溫超導」。利用微擾QCD 研究色超導有很長的歷史，但直到1998年才發現在QCD 中可以產生很大的夸克Cooper對凝聚，從而可能對緻密QCD物質的狀態方程和輸運性質有重大影響，特別是會強烈影響我們對中子星物理的認識。之後，人們對色超導相進行了大量的研究。到目前為止，對於極端高重子數密度區間的色超導態有了較好的理解，因為這時我們可以做可靠的微擾QCD計算。但在密度不是很高時(這實際上是我們關心的物理區間)由於缺乏基於微擾QCD的理論計算和基于格點QCD的非微擾計算，我們的理解還很有限。
(3)Quarkyonic 物質。在μB = 0 時，手徵相變和解禁閉相變在同一個臨界溫度處發生。那麼在μB ≠ 0 時，這兩個相變是否同時發生呢？2007 年McLerran和Pisarski對這一問題做了深入的思考。他們發現，在大Nc 極限下( Nc 為色的數目)，零溫時的退禁閉相變不會發生，而當μB > Nc ΛQCD時，體系處於一種禁閉的相，但手徵對稱性卻是恢復了的。在這種相中，夸克費米面之上的激發都是色中性的重子，因此他們稱之為quarkyonic(quark+baryon)物質。在真實的物理世界， Nc = 3是一個有限的數，但類似於quarkyonic 物質的相也有可能存在，它大概佔據的位置在中等密度區間，如圖1所示。
上文只討論了T—μB 平面上的相圖。考慮到同位旋化學勢、外磁場等等新的外參量後，QCD相圖會拓展到高維空間，並顯示出更加豐富多彩的結構。在這裡不展開討論，有興趣的讀者可以參考相關的綜述文獻，例如文獻[8]。
要尋找解禁閉和手徵對稱性恢復的夸克膠子物質，需要溫度或重子數密度非常高。哪些物理環境能實現這樣苛刻的條件呢？基於宇宙學的猜測，宇宙在大爆炸之後大概10-11—10-6 s 的時間段很可能處於重子數幾乎為零的QGP相。另外，低溫高密的夸克物質很可能存在於緻密星體的中心。在地面上，唯一有可能實現解禁閉和手徵恢復相變的手段是相對論重離子(核)碰撞：將兩個重核加速到接近光速後使它們對頭碰撞，產生高溫條件。
目前正在運行的相對論重離子碰撞實驗主要有美國Brookhaven 國家實驗室的相對論重離子碰撞機(Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC)和歐洲核子中心的大型強子碰撞機(Large Hadron Collider，LHC)。前者從2000 年開始運行，質心系最高對撞能量為每對核子200 GeV，主要實驗組是STAR 和PHENIX；後者從2010 年開始運行，目前最高能量為5.02 TeV，進行重離子實驗的主要實驗組是ALICE。中國科學家深度參與了STAR和ALICE探索QGP的實驗工作。
在RHIC 和LHC上，相對論重離子碰撞發生的空間尺度大約為碰撞核的幾何尺度，即10 fm，時間尺度也大約只有10 fm(相當於10-23 s)。碰撞過程的時空演化見示意圖2。加速後的兩個原子核的運動速度非常接近光速(在RHIC 達到光速的99.996%，在LHC 達到99.99998%)。如此高速的核碰撞是劇烈的非彈性碰撞，大量的夸克和膠子被激發出來，在碰撞中心形成一團數密度極高的夸克膠子物質。通過劇烈的散射、融合或碎裂，使得體系在約1 fm 的時間尺度內就達到定域熱平衡。這團處於定域熱平衡的物質就是QGP。由於夸克和膠子的密度如此高，平均自由程很小，體系的演化可以用相對論流體力學描述。隨著體系的不斷膨脹，溫度和密度不斷下降，當溫度降到解禁閉臨界溫度TC 時，發生從QGP 到強子物質的相變，即強子化，時間大概在5—10 fm。強子化是一個非微擾過程，流行的描述方法是統計併合模型。強子化之後的強子氣體依然有相互作用，它們之間發生著彈性和非彈性散射，並進一步膨脹冷卻。當體系膨脹到足夠大以至於兩個強子間發生彈性散射的機率接近零時，強子就從體系中凍出(Freeze-out)並最終被探測器捕捉到。
圖2 相對論重離子碰撞的時空演化示意圖
從相對論重離子碰撞的時空演化看，即使產生了QGP 這一新的物質形態，也是在碰撞的早期。隨著體系的膨脹，QGP 將演化成強子氣體，在實驗上觀察到的都是末態強子。因此，QGP不能被直接觀測到，QGP的性質要通過分析末態粒子加上可靠的理論計算才能得到。那些對碰撞早期物態敏感的末態粒子就稱作QGP的探針。下面通過幾種敏感的探針來了解QGP的一些激動人心的奇妙性質。
(1)完美的流體。不同流體的特徵由狀態方程和各種輸運係數(例如切向粘滯係數、體粘滯係數、熱導率等)描述。對於QGP，其狀態方程和輸運係數由有限溫度QCD提供。切向粘滯係數η表徵了流體內不同流層之間當流速不同時的內在摩擦力的大小，決定了流體可流動性的好壞。人們通常用η/s (s 表示熵密度)來表徵流體可流動性的好壞。注意，即便對於超流體來說， η/s 也不為零。2004 年，Kovtun，Son 和Starinets 提出：對一般量子系統有η/s≥ 1/(4 π) ，即KSS不等式。除了水之外，超冷原子氣體、超流氦液體和QGP是目前已知的可流動性最好的3 種流體。特別是QGP，這種目前地面上能實現的溫度最高的多粒子系統，具有最小的η/s 。從這個意義上講，QGP 是我們現在所知道的最完美的流體(perfect fluid)。
如何在相對論重離子碰撞實驗中測量切向粘滯係數呢？當兩個核發生非對心碰撞時，碰撞區間在垂直於入射方向的平面上是一個橢圓，因此產生的QGP也具有橢圓形狀的空間分布。考慮到QGP流體在橢圓短軸方向的壓力梯度比長軸方向要大，QGP在短軸方向的膨脹更快。這樣，強子化之後末態可觀測粒子在短軸方向的動量就大於在長軸方向的動量。這個動量差別在實驗上是可以測量的，稱為橢圓流。橢圓流表徵了末態粒子的動量空間分布對初態QGP的坐標空間分布的流體力學響應。顯然，這個響應是依賴於QGP的粘滯係數的。定性地說，切向粘滯係數越大則末態橢圓流就會越小。通過分析RHIC 和LHC的橢圓流數據發現，相對論重離子碰撞產生的不同強子都有很大的橢圓流，見圖3，從而說明了QGP具有很小的切向粘滯係數。
圖3 在LHC測量的各種末態強子的橢圓流作為動量的函數
(2)消失的噴注。重離子碰撞中產生的QGP的切向粘滯係數很小，說明QGP 的成分(即夸克和膠子)有很強的長程關聯，或者說有很強的相互作用，稱為強耦合QGP。強耦合QGP的一個顯著現象是噴注淬火。在基本碰撞過程，例如電子—電子碰撞或者質子—質子碰撞中，有可能產生兩個背對背運動的高能夸克或膠子，它們最後碎裂成兩束背對背的高動量強子流，稱為噴注。如果在重離子碰撞中也產生了兩個背對背運動的高能夸克或膠子，它們在強耦合QGP中運動時會由於劇烈的相互作用而損失能量，就像子彈射入水中損失能量一樣。這使得本來有望形成的高能噴注不能實現，稱為噴注淬火。如果這兩個背對背運動的高能夸克或膠子形成在QGP火球的邊緣，那麼其中一個很容易飛出QGP，而另一個則穿過整個QGP火球損失掉很多能量。這樣，實驗上就會出現單噴注的事例。圖4 給出的就是RHIC 的STAR實驗組測量的兩粒子角分布。在質子—質子碰撞和氘核—金核碰撞中，在背靠背的兩個方向(0°和180°方向)都發現了噴注。但在金核—金核碰撞中只發現了0°方向的噴注，而180°方向的噴注消失了。這充分說明了在RHIC 的金—金碰撞中產生了強耦合的QGP。
圖4 在RHIC測量的兩粒子角分布
(3)迷人的重夸克偶素。重夸克偶素是指由重夸克(例如粲夸克c 和底夸克b)和它的反夸克形成的介子，例如J/ψ (ccˉ) 和Υ(bb ˉ) 。如上所述，一般強子是在QGP 火球的溫度降到TC 時通過強子化生成的。但重夸克的質量大，在QGP 中很難產生，主要通過初始的硬過程產生。這樣，重夸克偶素主要是在QGP形成之前產生的，要穿過QGP火球後才能被探測到。眾所周知，電磁等離子體的一個重要特徵是Debye 屏蔽。把一個由正反電荷構成的束縛態放在等離子體中，兩個電荷之間的吸引相互作用不再是長程的Coulomb 勢，V~1/r ，而是有限力程的Yukawa 勢， V~1/r e-r/rD ，其中屏蔽長度rD 表示屏蔽後相互作用的力程。當rD 小於兩個電荷之間的距離時，束縛態便解體了。這種屏蔽同樣發生在QGP中。構成重夸克偶素的兩個正反夸克之間的色相互作用可用Cornell勢來定性地表示，V (r)~σr - α/r ，其中第一項在r很大時佔主導，表示了強相互作用在長距離時的色禁閉性質，第二項在r 很小時佔主導，表示了強相互作用在短距離時的Coulomb 特性。當重夸克偶素穿過QGP 時，Cornell 勢受到帶色的QGP的屏蔽，相互作用力程變短。當屏蔽長度rD 小於重夸克偶素的尺度(對於J/ψ ，約為0.5 fm)時，重夸克偶素就解體了。這樣，在末態觀測到的重夸克偶素就要減少。這就是1986 年Matusi 和Satz 提出的J/ψ 壓低，被認為是探測QGP形成的一桿冒煙的槍。可是，當重離子的碰撞能量增高到RHIC，特別是LHC 能量時，QGP 中的重夸克數目也會比較大，重夸克偶素也能在QGP中通過併合機制產生，稱為重產生。考慮到初始硬過程產生的重夸克偶素具有高動量，而重產生的粒子的動量比較小，可以用橫動量分布來區分重夸克偶素的產生機制。圖5 顯示的是在LHC能量的J/ψ 粒子的橢圓流分布，與輕強子類似的橢圓流說明J/ψ 主要來自重產生，而且重夸克在QGP中得到了充分的熱化。
圖5 在LHC測量的J/ψ 粒子橢圓流分布
(4)最強的磁場。容易想像，兩個帶正電的核以接近光速進行非對心碰撞時，會在中間產生極強的電磁場。計算表明，對於RHIC 能量(200 GeV)的金核—金核碰撞，如果兩個核的中心距離(碰撞參數)為5 fm，磁場強度為1019 Gauss，而對於LHC能量(2.76 TeV)的鉛核—鉛核碰撞，同樣碰撞參數下，磁場強度可達1020 Gauss。這是目前自然界中最強的磁場，比一般中子星的磁場還要高出7—8 個數量級。這個強磁場遠遠大於u 和d 夸克的質量平方，因而會影響QGP的性質。最近幾年關於磁場中QGP的研究發展很快，一些新奇的磁場效應以及它們可能的觀測方法被提出來。比如，磁場可能會造成早期光子、雙輕子和重夸克偶素的各項異性發射。特別是磁場可能會誘導出手徵磁效應(CME)等反常輸運現象，從而可以用來探測QCD的規範場拓撲結構。
QCD中規範場的基態是簡併的，不同的簡併態具有不同的拓撲結構。由於不同的基態間被很大的能量勢壘隔開，在溫度為零時基態之間的躍遷只能通過量子隧穿效應實現，機率非常小。但是當溫度很高時，可以通過越過勢壘來實現躍遷，這就是所謂的sphaleron 造成的經典躍遷。所以，人們期望在重離子碰撞產生的高溫QGP環境下有可能發生這種躍遷。當經典躍遷發生時，膠子可以通過QCD層次的手徵反常把右手夸克轉化為左手夸克或者相反，從而使得左右手夸克的數目有差別。由於夸克是帶電的，這個差別可以通過與磁場的相互作用來探測。實驗上，人們通過測量帶電粒子的關聯來研究CME 引起的電荷分離：同種電荷的關聯小於零，而不同電荷的關聯大於零。RHIC 和LHC的實驗確實探測到了類似的關聯，見圖6。問題是，這種關聯也可能是由其他機制導致的。如何確定這種關聯產生的機制將是近期實驗研究的一個重點。
圖6 STAR與ALICE實驗組關於CME探測的實驗結果
上文從4 個方面介紹了QGP 的性質，以及人們是如何在重離子碰撞實驗中探測和研究它們的。可以看到，QGP 是極端高溫、極端高能量密度、具有極好的流動性、同時處於極強的磁場中的新的物質形態。需要指出的是，這4 個方面只是QGP 的眾多奇妙之處的一部分，許多其他有趣的特性在本文沒有篇幅去展開討論，讀者若感興趣可以從眾多的文獻中獲得答案。
本文介紹了強相互作用物質在高溫高密強磁場等極端條件下的相結構，並著重介紹了在量子色動力學相圖中佔有重要地位的夸克膠子等離子體的性質及其在相對論重離子碰撞實驗中的信號。量子色動力學相結構和夸克物質的研究既是當前快速發展的高能核物理前沿，又是一個交叉研究領域，與粒子物理、早期宇宙、緻密星體、凝聚態物理、冷原子物理等研究方向緊密關聯，許多問題具有共同的物理背景。深入研究將有助於我們理解甚至解決物質結構和物質狀態的一些基本問題。