クォーク・グルーオン・プラズマの基礎と理論

クォークグルーオンプラズマ（英: Quark-Gluon Plasma, QGP）とは、極端な高温・高密度状態において存在すると予想されている、クォークおよびグルーオンからなる物質の相である。通常の状態では、クォークはハドロンの中に強く閉じ込められており、単体で取り出すことはできない。しかし、量子色力学（QCD）の理論によれば、一定の閾値を超える高温あるいは高密度環境下では、多体効果によってクォークがハドロンの束縛から解放されると考えられている。

歴史的背景と理論的予言

高密度状態におけるハドロンからのクォークの解放（漸近的自由性に関連する現象）は、1975年にジョン・C・コリンズ（John C. Collins）とマルコム・ジョン・ペリー（Malcolm John Perry）によって予言された。同年、ニコラ・カビボ（Nicola Cabibbo）とジョルジョ・パリシ（Giorgio Parisi）によって、高温状態におけるクォークの解放についても同様に予言がなされた。

低温・低密度状態におけるハドロンガスと、高温・高密度状態におけるQGPの状態方程式は、統計力学や自由度の数を用いて理論的に記述される。例えば、質量ゼロのパイ中間子からなる有限温度のハドロンガスについて、圧力やエネルギー密度、エントロピー密度は自由度を表すパラメータを用いて計算される。

一方、QGP相における圧力やエネルギー密度は、クォークやグルーオンの自由度およびバッグ模型に基づくバッグ定数Bを用いて表現される。

宇宙論的意義と高エネルギー重イオン衝突実験

クォークグルーオンプラズマは、ビッグバン直後の初期宇宙において存在していたと考えられており、また中性子星の内部などの極限環境でも実現している可能性がある。これを実験室で再現するため、1980年代以降、世界各地の加速器施設において高エネルギー重イオン衝突実験が行われてきた。主な施設としては、米国のローレンス・バークレー国立研究所（LBL）のベバトロン、独GSIの重イオン・シンクロトロン、米ブルックヘブン国立研究所（BNL）のAGSや相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）、欧州原子核研究機構（CERN）のSPSおよび大型ハドロン衝突型加速器（LHC）などが挙げられる。

BNLのRHICにおける実験では、生成された物質が非常に粘性の低い「完全流体」としての性質を示すことが示唆されており、QGPが強く相互作用し合う強相関プラズマとして振る舞うことが研究されている。