夸克-胶子等离子体的基本自由度和相变结构由强相互作用的基本理论——量子色动力学（QCD）描述，而强相互作用力是物理世界中四大基本相互作用之一。现在人们已经认识到在宇宙大爆炸后几微秒，即被称为夸克时代，宇宙处于夸克-胶子等离子体的状态。另外，理论猜测由于引力作用，致密星体内部的高重子密度区也可能有解禁闭的夸克物质存在。

通常人们接触到物体的99%都是由宇宙中的可见物质强子组成：即质子和中子都是强子，质子和中子形成原子核；原子核和电子形成原子；原子、电子和原子形成分子。而迄今为止，物理学家还没能找到自由存在的夸克和胶子，这一现象的理论解释是夸克和胶子被禁闭在“无颜色”的强子内部。要在实验室内产生夸克-胶子等离子体需要实现从强子到接近自由的夸克和胶子的解禁闭相变，该相变在实验上可以通过高能重离子碰撞来实现。

人们经过缜密的理论和实验研究发现，由于强相互作用力的极强耦合性，夸克-胶子等离子体具有特别的性质：①温度高，QGP的温度约为太阳中心温度的10万倍；②完美液体，它是一种近乎完美液体，即它的粘滞系数与熵的比值小到可以和强耦合量子极限（1/4π）同一数量级；③不透明，带着色荷的基本粒子与QGP有着强烈的耦合，因此夸克和胶子在与QGP作用时几乎损失所有的能量，即不能穿透QGP。

QCD相结构简化图

相变图通常用来呈现物质在不同环境下存在的状态。夸克-胶子等离子体是强相互作用下物质相变图中的一部分状态。上图是基于理论的QCD相结构简化图。横轴是重子化学势，描述系统的重子数密度，纵轴则是体系的温度。

QGP可通过将物质加热到2×10¹²开来产生，这温度相当于每个粒子具有175兆电子伏能量。这可以通过在高能下碰撞两个大的原子核来实现。对于这种碰撞，铅核和金核已经分别被用于欧洲核子研究中心（CERN）的超级质子同步加速器（SPS）上和美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC）上。原子核被加速到极端相对论速度（沿运动方向的长度收缩）时，直接互相对撞，在一次碰撞的小概率事件中产生一团“火球”。流体力学模拟预测这个火球将在它自身的压力下膨胀，同时膨胀时冷却。通过仔细地研究径向流和椭圆流，实验物理学家可以使理论得到检验。 

在20世纪80、90年代，CERN的SPS上的实验首先试图产生夸克-胶子等离子体。CERN根据这些实验结果，在2000年宣布找到了一种“新的物质形态”的间接证据。位于美国纽约长岛的RHIC上被加速到相对论速度的金核-金核或金核-质子的对撞，及位于瑞士日内瓦附近的CERN的大型强子对撞机上被加速到相对论速度的铅核-铅核或铅核-质子的对撞，正在继续这方面的努力。2010年2月，在BNL的RHIC上工作的科学家声称已经产生了一种具有大约4万亿（4×10¹²）开尔文温度的夸克-胶子等离子体。他们还发现这种新的物质形态有如流体一样的行为。实验物理学家在大型强子对撞机上通过创纪录的中心碰撞能量为2.76特电子伏的铅原子核的对撞，在大型强子对撞机产生出了更高温度的夸克-胶子等离子体。 

研究夸克-胶子等离子体理论的主要理论工具之一是格点规范理论。格点规范理论首次预测了成为这种物质的转变温度（大约175兆电子伏）。自此以后，格点规范理论一直被用于预测这种物质的许多其他性质。另外，反德西特空间/共形场论（AdS/CFT）对应猜想提供了研究QGP的另一种强耦合理论工具。同时，人们认为QGP是相对论重离子碰撞物质的一个相，而且它近似地达到了局域热平衡，因此人们还可以用相对论流体动力学来描述其演化的集体现象。

在高能核-核碰撞中找到“新物质形态”夸克-胶子等离子体的实验证据后，科学家们提出更为深刻的问题：从夸克-胶子等离子体到强子物质的相边界在哪里？QCD相变临界点存在吗？严格地讲，在量子热动力学理论中新物质相、相边界、平滑过渡和临界点都必须自洽存在。换句话讲，在强相互作用的核物质中欲确认新物质相的存在必须从实验上和格点QCD理论计算中确定相边界和可能的QCD临界点。从2010年以来，科学家们在美国的相对论重离子对撞机RHIC上开始能量扫描，主要目的就是通过改变核-核碰撞产生热密核物质的温度和密度去扫描QCD相变图，从而寻找相边界和QCD相变临界点。至2021年，两期RHIC能量扫描实验已经顺利完成。RHICSTAR实验发表的第一期实验结果表明临界点存在的迹象，最后结论必须等待第二期能量扫描高统计量数据分析完成后才能确定。与此同时，为了寻找临界点以及研究高重子密度区核物理的状态方程和致密星体内部结构，世界多个科技大国相继建设大型加速器群，冲击强相互作用相结构的里程碑–QCD相变的临界点，包括德国的反质子-离子研究装置FAIR、俄罗斯的核子-离子对撞机装置NICA和中国的强流重离子装置HIAF。这些新建装置均计划在2025年左右投入运行，标志着一个聚焦在高重子密度区的重离子碰撞物理研究新时代的来临。依托于新一代大科学装置的研究必将加深人们对核物质相结构包括夸克-胶子等离子体的性质的认识，同时推动人们对宇宙早期演化过程和致密星体内部结构的深入理解。