探索夸克-胶子等离子体(QGP)

相对论重离子物理学是近年来发展较快的核物理前沿领域，也是今后若干年内核物理的重要研究方向之一。它主要是研究在极高温度（达到10¹²K，即太阳中心温度的 60000 倍）以及极高密度（10 倍于正常核物质密度）下，核由强子态向夸克物质态，即夸克-胶子等离子体的相变。这项研究具有极其重要的意义。首先，夸克-胶子等离子体是人们长期以来渴望求到却又难以得到的一种物质形态。夸克-胶子等离子体与一般的电的等离子体不同，在夸克-胶子等离子体中，夸克在强子外是自由的，而整体上又是色中性的。
     如果说，上一世纪给本世纪留下了两个谜，一个是无绝对的惯性系，一个是波-粒二象性，这两个谜已随着爱因斯坦的相对论及量子力学的建成得以解决，那么，本世纪粒子物理学的发展又使另外两个更深层次的谜，一是对称性破缺，一是夸克禁闭呈现了出来。当前，描述自然界四种基本作用的理论是，描述强相互作用的量子色动力学(QCD)，描述电-弱相互作用的 SU(2)×U(1)的模型理论，描述引力作用的广义相对论，这些理论的最终统一将使这两个谜获得最终解决，而相对论重离子物理研究又直接与这两个谜相关，正因如此，有人称这项研究具有“世纪性的地位”。当两束高能重离子相撞时，虽然在极短的时间内，离子之间无重子分布，是一种物理真空区域，但是它却比一般的真空能量密度高得多，因而是研究真空激发态的理想区域。这时物质的有效质量为零，手征对称性得以恢复。
     此外，又根据核的相变理论，在正常温度和正常密度ρN条件下，一般核物质处于正常核态；但当密度达到2ρN时，可能出现π凝聚，这是核物质具有较高秩序的状态，类似晶体点阵排列的原子；当密度达到 5ρN左右，单个核子产生许多新的激发能级，核变为激发态的强子物质；若再进一步压缩核物质，使密度达到10ρN左右，核由强子激发态继续发生相变，此时出现解除夸克禁闭，夸克跑出核子外，在比核子大得多的范围内自由运动。此时，夸克与夸克间相互作用粒子组成夸克-胶子等离子体(QGP)。虽然这种理论分析尚有许多不确定因素，却引起了许多人的兴趣。人们一致认为，高能重离子反应是实现这一相变的最有希望的途径。有人估计，要实现普通核的非禁闭相变，核碰撞质心能量要达到 100GeV/N。预计在1996 年建成的美国布鲁克海汶国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)将能满足这一要求。