§2 强子物质和夸克物质

现在对宇宙的早期演化不可能有直接的观测，人们期望对宇宙早期演化的某些过程可以实现在实验室里抽样进行观察。

粒子世界物质结构的组元是各种粒子，大量粒子聚集在一起形成一定的微观世界中的物质聚集状态。原子核由质子和中子所组成，原子核是组元为核子的“核物质”，可形成一个均匀相，称强子物质相。原子核内的温度是很高的，约为百亿开尔文的量级，但从微观尺度来说，这是一个很低的温度。在高能重原子核剧烈碰撞中能达到的温度，可以是这个温度的数十倍。

如果通过原子核的剧烈碰撞或其他办法提高强子物质的温度，核子和反核子又都可以吸收介子。高温强子物质表现为强子通过粒子反应过程达到平衡的强子气体。

粒子物理学告诉我们，核子还不是最小的粒子，核子的半径为 RN=0.80 费米，强子，包括介子和重子都是由夸克所组成。夸克具有色相互作用的能力，色相互作用是一种新的比万有引力和电磁相互作用更强的相互作用，实验上所观察到的强相互作用实际上是色相互作用的表现。色相互作用的媒介粒子是胶子，胶子也属于规范玻色子，夸克的色相互作用能力表现在夸克可以放出和吸收胶子，夸克之间通过交换胶子而相互吸引。每个重子由 3 个夸克通过色相互作用结合而成，介子则是由一对夸克和反夸克结合而成。绝大多数现在实验上已发现的强子都是由夸克和反夸克结合而成。如果有大量的强子均匀地聚集在一起，就形成强子物质相。一般说来，强子物质相的组元是强子，也就是重子、反重子和介子，在稳定的强子物质相当中，它们之间的比例随温度的不同而不同。重原子核是稳定的很低温度的强子物质相。强子结构提供了一种可能性：如果把原子核高度压缩，使核子之间的边界都被挤压而消失掉，或加高温度新产生大量强子而使强子边界消失，这时微观物质的组元就改变为夸克、反夸克和胶子，强子物质相变为夸克胶子等离子体， 即夸克物质相。

粒子理论的研究预言夸克胶子等离子体相和强子物质相之间的相变温度大约在 200MeV 到 300MeV 之间，即 2.3×1012K 到 3.5×1012K 之间。物理学家期望用高能粒子对撞来实现在某一有限体积内集中大量能量，达到很高温度，产生夸克胶子等离子体相。然后它自由膨胀而逐渐降温，到相变临界温度时，转变为强子物质相。这样就可以在实验室里实现对宇宙早期演化的一段过程的抽样模拟和观察研究。