Φανταστείτε ότι διαθέτετε ένα μικροσκόπιο που μπορεί να δείξει κοντινό πλάνο ενός ατόμου, π.χ. του ατόμου του υδρογόνου, που είναι το μικρότερο όλων. Αν μπείτε μέσα από την τροχιά του μοναδικού ηλεκτρονίου αυτού του ατόμου, θα φτάσετε στον πυρήνα, που αποτελείται από ένα μεμονωμένο πρωτόνιο (τουλάχιστον στο ισότοπο πρώτιο του υδρογόνου). Η γυμνασιακή Φυσική λέει ότι μέσα στο πρωτόνιο υπάρχει απλώς μια τριάδα στοιχειωδών σωματιδίων, που ονομάζονται κουάρκ και συγκεκριμένα δύο πάνω κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ. Αλλά η πραγματικότητα μέσα στο πρωτόνιο είναι πολύ πιο σύνθετη και οι φυσικοί ακόμη προσπαθούν να κατανοήσουν την εσωτερική δομή του και τον τρόπο που τα συστατικά του συνδυάζονται, ώστε να εκδηλώνει τη συγκεκριμένη μάζα, το σπιν και τις άλλες ιδιότητές του.

Τα τρία κουάρκ είναι απλώς οι «σημαδούρες» που φαίνονται καθώς επιπλέουν πάνω στη θάλασσα των κουάρκ και αντικουάρκ (τα αντίστοιχα σωματίδια αντιύλης), αλλά και των συγκολλητικών σωματιδίων που τα συγκρατούν και ονομάζονται γκλουόνια. Ο συνολικός αριθμός κουάρκ και γκλουονίων μέσα στο πρωτόνιο αλλάζει διαρκώς. Ζεύγη κουάρκ και αντικουάρκ εμφανίζονται και εξαφανίζονται συνεχώς, ενώ τα γκλουόνια διασπώνται και πολλαπλασιάζονται, ιδίως όταν το πρωτόνιο αποκτήσει αυξημένη ταχύτητα. Επικρατεί ένα φαινομενικό χάος. Η ισχυρή δύναμη - η πιο ισχυρή από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση - συγκρατεί αυτό το άτακτο περιεχόμενο στο εσωτερικό των πρωτονίων και των νετρονίων. Οταν, όμως, δύο μεγάλοι ατομικοί πυρήνες (όπως οι πυρήνες ατόμων χρυσού) συγκρουστούν μεταξύ τους κινούμενοι με ταχύτητα σχεδόν ίση με αυτή του φωτός, η σύγκρουση προκαλεί θερμοκρασίες και πιέσεις ικανές να δημιουργήσουν για πολύ μικρό χρονικό διάστημα σταγονίδια πλάσματος κουάρκ - γκλουονίων, μέχρι αυτά τα σταγονίδια να αποσυντεθούν.

Οι μηχανές που μπορούν να παρατηρήσουν αυτές τις συγκρούσεις είναι πολύ μεγάλων διαστάσεων, δομές από ανιχνευτές και όργανα τοποθετημένα σε ομόκεντρους δακτυλίους, που συνδέονται μεταξύ τους με χιλιάδες καλώδια. Οταν στέκεται κανείς κάτω από μια τέτοια μηχανή, έχει μια καλή αίσθηση του τι μπορεί να πετύχει ο άνθρωπος.

Η έρευνα για το πλάσμα κουάρκ - γκλουονίων είναι ένα παράθυρο εκεί που επιδρά η ισχυρή δύναμη (αλληλεπίδραση), η λιγότερο κατανοημένη από όλες τις δυνάμεις της φύσης (οι άλλες τρεις είναι η βαρυτική, η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής). Η ισχυρή δύναμη περιγράφεται από τη θεωρία της κβαντικής χρωμοδυναμικής, η οποία είναι όμως τόσο σύνθετη, που οι επιστήμονες σχεδόν ποτέ δεν μπορούν να υπολογίσουν απευθείας κάτι με αυτή. Το καλύτερο που μπορούν να κάνουν είναι να χρησιμοποιήσουν προσομοιώσεις σε υπερυπολογιστές, για να πάρουν προσεγγιστικές απαντήσεις.

Τον ερχόμενο μήνα, οι επιστήμονες του εργαστηρίου Μπρούκχεϊβεν, στις ΗΠΑ, θα θέσουν σε λειτουργία το πιο πρόσφατο πείραμα που σχεδίασαν για τη μελέτη του πλάσματος κουάρκ - γκλουονίων. Η συσκευή, που ονομάζεται sPHENIX, είναι ένας από τους δύο ανιχνευτές του Σχετικιστικού Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC), ενός από τους μεγαλύτερους επιταχυντές σωματιδίων στον κόσμο. Ο άλλος ανιχνευτής είναι ο STAR, που θα ξαναλειτουργήσει μετά από μεγάλες αναβαθμίσεις που του έγιναν. Στην Ευρώπη, στις εγκαταστάσεις του CERN κοντά στη Γενεύη, ο μεγαλύτερος στον κόσμο επιταχυντής, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), άρχισε πρόσφατα μια νέα σειρά πειραμάτων, με αναβαθμισμένους ανιχνευτές και την ικανότητα να μπορεί να συντρίψει περισσότερα άτομα μεταξύ τους ταυτόχρονα. Αυτά τα δύο εργαλεία μπορούν να μας φέρουν πιο κοντά στην αποκάλυψη των μυστικών των πιο μικροσκοπικών συστατικών στοιχείων της ύλης.

Οι πρώτες συγκρούσεις βαρέων ιόντων, που πραγματοποιήθηκαν τη δεκαετία του 1970 στο Εθνικό Εργαστήριο Λόρενς Μπέρκλεϊ των ΗΠΑ, δεν ήταν αρκετά ισχυρές, ώστε να δημιουργήσουν πλάσμα κουάρκ - γκλουονίων. Το 1986, το σύγχροτρο SPS του CERN άρχισε τις πρώτες συγκρούσεις που έδωσαν ενδείξεις γι' αυτήν τη νέα κατάσταση της ύλης. Ομως, ακόμη κι όταν οι ερευνητές τελικά ανακοίνωσαν τα αποτελέσματά τους το 2000, πολλοί αμφισβήτησαν ότι αποτελούσαν απόδειξη ανακάλυψης του πλάσματος κουάρκ - γκλουονίων. Εκείνη τη χρονιά ξεκίνησαν πειράματα σε υψηλότερες ενέργειες στο Μπρούκχεϊβεν και τα δεδομένα που συλλέχθηκαν οδήγησαν πέντε χρόνια αργότερα να γίνει γενικά αποδεκτή η ύπαρξη αυτού του είδους πλάσματος.

Ομως, το υλικό αυτό δεν ήταν έτσι όπως το είχαν φανταστεί οι επιστήμονες. Αντίθετα με ένα εκτεινόμενο αέριο, το πλάσμα κουάρκ - γκλουονίων έμοιαζε περισσότερο με υγρό και μάλιστα με ένα σχεδόν τέλειο υγρό, χωρίς καθόλου ιξώδες (τριβή μεταξύ των συστατικών του). Στα αέρια, τα σωματίδια ενεργούν ανεξάρτητα, ενώ στα υγρά ενεργούν συγκροτημένα. Οσο πιο ισχυρές είναι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων, τόσο πιο τέλειο είναι το υγρό. Οι παρατηρήσεις στο RHIC έδειξαν ότι το πλάσμα κουάρκ - γκλουονίων εμφάνιζε μικρότερη αντίσταση στη ροή από οποιαδήποτε γνωστή ουσία.

Το 2010 οι ερευνητές του RHIC ανακοίνωσαν την πρώτη μέτρηση της θερμοκρασίας του πλάσματος κουάρκ - γκλουονίων. Ηταν τέσσερα τρισεκατομμύρια βαθμοί Κελσίου, πολύ πιο πάνω απ' οτιδήποτε είχε δημιουργήσει ο άνθρωπος και περίπου 250.000 φορές πιο θερμό από τον πυρήνα του Ηλιου! Κι ενώ συνήθως όσο αυξάνεται η θερμοκρασία ενός υγρού τόσο λιγότερο τέλειο γίνεται, με το πλάσμα κουάρκ - γκλουονίων συνέβαινε το αντίθετο. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι πίσω από αυτήν τη συμπεριφορά κρύβεται η ισχυρή δύναμη. Οταν τα σωματίδια γίνουν αρκετά θερμά ώστε να δραπετεύσουν από τα πρωτόνια και τα νετρόνια, η ισχυρή δύναμη λειτουργεί σε ολόκληρο το πλάσμα, κάνοντας το σύνολο των σωματιδίων να αλληλεπιδρούν ισχυρά το ένα με το άλλο.

Ενα ανοιχτό ερώτημα είναι πότε ακριβώς τα κουάρκ και τα γκλουόνια μπορούν να ξεφύγουν από τα πρωτόνια και νετρόνια, ποιο είναι το όριο ανάμεσα στη συνήθη ύλη και το πλάσμα κουάρκ - γκλουονίων και ποιο είναι το κρίσιμο σημείο όπου μπορούν να συνυπάρχουν. Ενα άλλο ερώτημα είναι αν το πλάσμα κουάρκ - γκλουονίων είναι φράκταλ, αν δηλαδή η δομή του έχει ένα σύνθετο επαναλαμβανόμενο μοτίβο σε οποιαδήποτε κλίμακα, όπως υποστηρίζουν ορισμένοι επιστήμονες.

Οι απαντήσεις σε αυτές τις ερωτήσεις θα βοηθήσουν στην κατανόηση της ισχυρής δύναμης. Η κβαντική χρωμοδυναμική περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ κουάρκ και γκλουονίων δίνοντάς τους μια ιδιότητα που ονομάζεται χρωματικό φορτίο. Αυτό παρουσιάζει αναλογίες με το φορτίο της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, με τη διαφορά ότι αντί για δύο υπάρχουν τρία είδη χρωματικού φορτίου (κόκκινο, πράσινο και μπλε) και επίσης τρία είδη χρωματικού αντιφορτίου (για τα αντικουάρκ και αντιγκλουόνια). Στον ηλεκτρομαγνητισμό, το σωματίδιο που μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, το φωτόνιο, είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, κάτι που απλοποιεί κάπως τα πράγματα. Στην κβαντική χρωμοδυναμική, το γκλουόνιο, που είναι ο φορέας της δύναμης, έχει χρωματικό φορτίο και αλληλεπιδρά όχι μόνο με τα κουάρκ, αλλά και με τον εαυτό του. Ολα αυτά κάνουν την κβαντική χρωμοδυναμική ιδιαίτερα περίπλοκη. Ετσι, δεν έχει αποσαφηνιστεί η διαδικασία με την οποία τα γκλουόνια και τα κουάρκ παραμένουν εγκλωβισμένα μέσα στο πρωτόνιο.

Μετά από τις αναβαθμίσεις του LHC, οι επιστήμονες μπορούν να αναλύσουν 100 φορές περισσότερες συγκρούσεις απ' ό,τι πριν. Συγκριτικά με τα πειράματα του RHIC, στο CERN οι συγκρούσεις γίνονται σε υψηλότερες ενέργειες και παράγουν πιο θερμό, πιο πυκνό και πιο μακρόβιο πλάσμα κουάρκ - γκλουονίων. Ωστόσο τα πειράματα στο RHIC μπορούν να αποκαλύψουν διαφορετικές πλευρές του πλάσματος κουάρκ - γκλουονίων, δίνοντας συνδυαστικά μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα.