Кварк-глюо́нная пла́зма, экстремальное состояние субъядерной материи, образующееся при сверхвысоких плотностях энергии и температурах. Фундаментальная проблема теории ядерных взаимодействий [квантовой хромодинамики (КХД)] – природа эффекта конфайнмента, или «удержания цвета» (цветовой заряд в КХД – аналог электрического заряда в электродинамике). Заключается данный эффект в том, что частицы, несущие цветовой заряд, кварки и глюоны (элементарные составляющие адронов – частиц, участвующих в ядерных взаимодействиях) не наблюдаются в свободном виде. В экспериментах по столкновениям частиц на ускорителях высокоэнергичные кварки и глюоны проявляются как узконаправленные сгустки адронов (струи), которые и регистрируются детекторами. Однако при определённых условиях, а именно при экстремально высоких плотностях энергии больше критического значения (порядка 1 ГэВ на кубический фемтометр), компьютерные расчёты КХД на пространственно-временной решётке предсказывают отсутствие конфайнмента ядерной материи и образование нового состояния вещества, состоящего из передвигающихся в пределах некоторого объёма свободных кварков и глюонов. По аналогии с электромагнитной плазмой, в которой имеет место эффект дебаевского экранирования электрического заряда, «деконфайнмированное» состояние сильновзаимодействующей материи называется кварк-глюонной плазмой (КГП), в которой имеет место экранирование заряда цветового. В случае когда критическая плотность энергии в сильновзаимодействующей системе достигается за счёт высокой температуры, предсказывается плавный кварк-адронный фазовый переход типа «кроссовер»; если же критическая плотность энергии достигается за счёт высокой барионной плотности, то ожидается кварк-адронный фазовый переход первого рода. Соответственно, для фазовой диаграммы «температура – барионная плотность» предсказывается существование критической точки, в которой меняется тип фазового перехода.

Согласно современным космологическим представлениям, КГП существовала в ранней Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва. При критической температуре порядка 2 трлн градусов (около 200 МэВ в энергетических единицах) Вселенная прошла стадию кварк-адронного фазового перехода и адронизации: кварки и глюоны «склеились» друг с другом, сформировав более сложные частицы – адроны, которые известны нам сегодня. Экстремальные условия, необходимые для формирования другого предельного сверхплотного состояния – «холодной» кварковой материи с высокой барионной плотностью, могут достигаться в недрах нейтронных звёзд. Не исключено также, что сами атомные ядра являются гетерофазными системами и в своём составе, помимо протонов и нейтронов, содержат «капельки» холодной КГП в местах сильного превышения флуктуаций ядерной плотности над её средним значением.

В лабораторных условиях поиск и изучение свойств КГП ведётся в экспериментах с пучками релятивистских тяжёлых ионов на ускорителях. Отличительная особенность ядро-ядерных соударений по сравнению с адрон-адронными столкновениями – возможность генерации субъядерной материи в квазимакроскопических объёмах по отношению к характерным адронным масштабам, что позволяет исследовать сильные взаимодействия в режимах экстремально высоких температур и плотностей энергии на значительно больших пространственно-временных масштабах и открывает принципиальный путь для применения термо- и гидродинамики ядерных взаимодействий. Ныне накоплен значительный экспериментальный материал по различным физическим наблюдаемым в соударениях тяжёлых ионов на ускорителе SPS в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) (эксперименты с фиксированной мишенью, максимальная энергия пучков свинца в системе центра масс √s_NN = 17 ГэВ на пару нуклонов), коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории (максимальная энергия столкновений пучков золота √s_NN = 200 ГэВ на пару нуклонов) и Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе (энергии столкновении пучков свинца √s_NN = 2,76, 5,02 и 5,36 ТэВ на пару нуклонов). Первые указания на формирование КГП, такие как аномальное подавление выхода J/ψ-мезонов (связанных состояний $c \overline{c}$-кварков), тепловое излучение фотонов и лептонных пар, усиленный выход «странных» адронов, были получены в экспериментах на SPS (соответствующий пресс-релиз ЦЕРН был опубликован в 2000). Совокупность данных, полученных в дальнейшем в экспериментах на коллайдерах RHIC и LHC (подавление выхода J/ψ-мезонов и высокоэнергичных адронов, сильная азимутальная анизотропия потока частиц, дальнодействующие азимутальные корреляции и др.) согласуется с предположением о формировании горячей сильновзаимодействующей материи с гидродинамическими свойствами («кварк-глюонная жидкость»), которая поглощает высокоэнергичные кварки и глюоны. При этом на БАКе стало возможным изучать более редкие процессы и открыть новые эффекты, включая модификацию различных характеристик адронных струй и продуктов адронизации тяжёлых кварков, а также подавление выхода возбуждённых состояний Υ-мезонов (связанных состояний $b \overline{b}$-кварков) относительно их основного состояния. Планируются дальнейшие экспериментальные исследования различных процессов рождения частиц в соударениях тяжёлых ионов на LHC, включая как углублённый анализ уже известных эффектов, так и измерение новых физических наблюдаемых, которые могут стать доступными при дальнейшем увеличении светимости и энергии коллайдера. Перспективным направлением представляется и изучение «малых» систем, образующихся в протон-протонных и протон-ядерных соударениях с большой множественностью, для которых также имеются указания на проявление коллективных эффектов. Пока нет однозначного понимания, лежат ли в основе таких проявлений коллективности одни и те же механизмы для соударений тяжёлых ионов и для малых систем или имеется разное происхождение «коллективности» для различных систем.

Помимо изучения свойств кварк-глюонной материи в условиях экстремально высоких температур, при максимально достижимых ныне в лабораторных условиях энергиях LHC, значительный интерес представляет экспериментальное изучение динамики кварк-адронных фазовых переходов вблизи их границы при промежуточных энергиях пучков тяжёлых ионов (от нескольких ГэВ до нескольких десятков ГэВ). Данная задача обусловлена, в частности, поиском «критической точки» кварк-адронного фазового перехода, что стимулировало как программу изучения соударений тяжёлых ионов в широком диапазоне энергий для существующих ускорителей SPS и RHIC, так и новые проекты NICA в ОИЯИ (Дубна) и FAIR в GSI (Дармштадт, Германия). Эти две взаимодополняющие задачи – одни из актуальнейших в современной ядерной физике высоких энергий.