Materia (określenie to wywodzi się z łaciny) to w fizyce wszystkie obiekty o niezerowej masie tj. takie, które wytwarzają i podlegają działaniu pola grawitacyjnego. Takimi obiektami są np. ciała niebieskie, elektrony w atomach oraz pola elektromagnetyczne i inne pola w sensie fizycznym. Jak głosi ogólna teoria względności Alberta Einsteina wszystkie obiekty w sensie fizycznym cechuje ważkość - za jej miarę przyjmuje się masę danego obiektu lub jego energia. Materia we Wszechświecie zbudowana jest z małych "cegiełek" - określamy je mianem cząstek elementarnych.

Materia która otacza nas ma na ogół bardzo podobny skład. Zmiany jej własności (np. zmiana stanu skupienia materii) które możemy obserwować dotyczą wzajemnego ułożenia atomów i cząsteczek których te atomy tworzą. Na przykład atomy w ciałach stałych są gęsto upakowane, w cieczy to upakowanie jest mniejsze, najmniejszym upakowaniem atomów charakteryzują się gazy. We wszystkich tych przypadkach atomy nie zmieniają się jednak.

Dopiero w bardzo wysokich temperaturach (rzędu 103 stopni Celsjusza) i przy odpowiednio dużej koncentracji materii i energii (znacznie większej niż we wnętrzach gwiazd) pojawia się nie występujący naturalnie stan - plazma kwarkowo-gluonowa. Mówimy, że atomy w tym stanie są zjonizowane - elektrony nie są wówczas związane z jądrami atomowymi. Sytuacja taka ma miejsce gdy uśredniona energia termicznych ruchów jest większa niż energia która wiąże elektron z jądrem. Liczba elektronów oderwanych od macierzystego jądra wzrasta wraz z temperaturą. Według teorii właśnie w ten sposób wyglądała materia tworząca Wszechświat w ułamek sekundy od Wielkiego Wybuchu. Zgodnie z tą samą teorią plazma kwarkowo-gluonowa powstaje w wyniku zderzeń jąder atomowych o bardzo wielkiej energii.

Ponieważ plazmę tworzą obojętne elektrycznie atomy (pod względem własności elektrycznych jest ona podobna do metali) ilość ładunków dodatnich (protonów) jest taka sama jak ilość ładunków ujemnych (elektronów) - plazmę określa się niekiedy mianem czwartego stanu skupienia materii.

Ze względu na temperaturę oraz zjawiska w niej zachodzące wyróżniamy dwa rodzaje plazmy:

  • plazmę zimną: ma ona temperaturę rzędu 10 000 K a wykorzystywane jest w takich egzotycznych urządzeniach jak plazmotrony, generatory magnetohydrodynamiczne oraz w produkcji napędu plazmowego,
  • plazmę gorącą: ma ona temperaturę ponad 1 mln K a wytwarzana jest w celach badawczych, min. do kontrolowanej reakcji termojądrowej.

Plazma na Ziemi występuje bardzo rzadko - np. w postaci płomienia świecy, w pozostałej części przestrzeni kosmicznej jest z kolei jednym z częściej występujących stanów materii - są z niej zbudowane gwiazdy jak choćby Słońce a nawet całe galaktyki.

Gluony to cząstki które są odpowiedzialne za oddziaływania między kwarkami - "sklejają" one kwarki ze sobą. Gluony posiadają następujące cechy:

  • nie posiadają tzw. masy spoczynkowej,
  • nie posiadają ładunku elektrycznego,
  • nie występują jako swobodne cząstki (podobnie jak kwarki),
  • poruszają się one tylko w elektronach i protonach.

W temperaturach rzędu 1 mln K w wyniku zderzeń protonów i elektronów powstają neutrony, które następnie ponownie rozpadając się tworzą protony i elektrony. W takich procesach powstają dodatkowo cząstki zwane neutrinami - nie oddziałują one jednak z innym cząstkami i swobodnie odlatują. Z kolei w wyniku zderzeń protonów powstają jądra atomowe a one rozpadając się w wyniku zderzeń z powrotem dają protony. Takie procesy są źródłem energii np. w Słońcu.

Gdy temperatura jest jeszcze wyższa jonizacji analogicznej jak atomy ulegają protony. W tych temperaturach zderzenia między protonami zachodzą tak często, że kwarki wchodzące w skład protonów "przeskakują" między nimi i w ten sposób siły termiczne prowadzą do ich rozbicia.

Obecnie znamy i rozróżniamy sześć rodzajów kwarków, które fizycy łączą w pary. Są to:

  • kwark dolny i górny (z angielskiego up / down),
  • kwark powabny i dziwny (z ang. carm / strange),
  • kwark prawdziwy i piękny (z ang. true / beauty) - są one inaczej zwane dennym i szczytowym.

Kwarki cechu to, że posiadają ułamkowy ładunek elektryczny 2/3e lub -1/3e, gdzie e to ładunek (elementarny) elektronu. Ponadto posiadają one inny rodzaj ładunku zwany kolorem - stanowi on źródło silnego oddziaływania jądrowego które wiąże kwarki w cząstkach i spaja jądro atomowe. Wyróżniamy trzy kolor - zielony, niebieski oraz czerwony, co w konsekwencji prowadzi do tego, że mamy de facto 18 kwarków. Swobodne kwarki nie są obserwowane w przyrodzie, występują one wyłącznie z innymi kwarkami tworząc tzw. hadrony.

W temperaturach wyższych niż temperatura jonizacji protonów mogą powstawać cięższe kwarki w wyniku zderzeń lżejszych. W danej temperaturze wytworzy się stan równowagi w którym liczba kwarków cięższych i lżejszych będzie stała.

Opisane powyżej zjawiska stanowią przykłady ogólnej reguły: jeśli energia zderzeń termicznych jest wystarczająca by przemienić cząstkę w inną, cięższą oraz niestabilną, to wówczas wytwarza się pewien stan równowagi, w którym to stosunek liczby cząstek cięższych do liczby cząstek lżejszych jest wartością stałą w konkretnej temperaturze. Wartość ta rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Odpowiednio obniżając temperaturę doprowadza się do stanu, gdy wszystkie cięższe cząstki rozpadną się i pozostaną już tylko cząstki lekkie.

Na obecnym poziomie rozwoju nauki i techniki nie umiemy jeszcze podgrzać materii wystarczająco aby wytworzyć wspomnianą plazmę kwarkowo-gluonową bądź też stan równowagi w którym występują cięższe kwarki. Jednak już obecnie udaje się czasem na bardzo krótki czas wytworzyć takie stany w laboratoryjnych badawczych, poprzez zderzenia jąder atomowych o ogromnych energiach. Jak się wkrótce przekonamy takie badania mają bardzo duże znaczenie dla dalszego zrozumienia ewolucji Wszechświata. Istotnie, jeżeli kiedyś panowała we Wszechświecie bardzo wysoka temperatura, to musiały w nim istnieć cząstki, które tworzą się niezwykle rzadko i prawie natychmiast rozpadają. Możliwe, że ślady takiego stanu nadal są gdzieś we Wszechświecie.