將重原子的核外電子剝離得到帶正電的重離子，再將重離子在重離子加速器中加速到相對論性極高能量，使之與另外一個重離子相碰撞。碰撞後的極短時間內，有可能在較大空間範圍內形成能量密度很高的碰撞區。碰撞區達到足夠高的溫度和重子數密度時，就有可能形成新的物質形態。此後系統隨之膨脹，並產生數百上千個末態粒子，從中研究新物態的形成和轉化。
相對論性重離子加速器實驗分為兩類：一類是固定靶實驗，這是將靶原子核在實驗室系中固定，將加速的重離子子束轟擊靶核，實現高能重離子碰撞；另一類是將兩束重離子分別加速後，使之對撞。
意義 現代物理學的基礎范疇內，存在著兩個基本的疑難問題：①描述基本相互作用的理論都是基於對稱性建立的，但實驗卻表明絕大部分對稱都不嚴格守恒，對稱性如何被破壞；②已發現的強相互作用粒子（強子）都是由誇克、反誇克和膠子組成的，迄今不論在自然界還是通過實驗手段都沒有觀測到自由的誇克、反誇克或膠子，即所謂的誇克禁閉問題。這兩個問題與物理真空的性質密切相關。理論預言，當強子體系的能量密度超過某臨界值時，誇克、反誇克或膠子有可能擺脫束縛，解除禁閉，實現體系從強子物質到誇克膠子等離子體(QGP)的相變。當能量足夠高時，還可能在碰撞區形成重子數為零的激發區域，從而提供改變真空狀態的可能實驗手段。相對論性重離子碰撞是從實驗上達到所需要的能量密度，檢驗這些理論預言。
按照宇宙學的理論，在宇宙大爆炸後溫度極高的極短時間內（小於10−5秒）完全有可能出現過QGP相的階段。當宇宙不斷膨脹，溫度逐漸下降，到強子物質形成的相變溫度，宇宙中的強子物質才得以“凝結”形成。另一方面，宇宙中存在一種完全由中子構成的星體中子星。核心的密度可大於理論估算的實現QGP相變的密度，內部是QGP態。而當前宇宙距大爆炸已有百億年，而中子星又距地球非常遙遠，人們非常希望通過相對論性重離子碰撞來實現與宇宙學和天體物理有密切聯系的相變條件，研究這些相變的規律和特點。
歷史 20世紀50年代，首先從宇宙線實驗中得到瞭典型的高能核–核碰撞事例。這些事例涉及相當重的核，能量也足夠高。可惜事例數少，很難達到可信的統計結果。80年代初，國際上有幾臺相對論性重離子加速器陸續投入運轉。美國伯克利國傢實驗室的Bevalac，法國薩克萊的Saturne與蘇聯杜佈納的同步穩相加速器都能將很重的離子束加速到實驗室系中每核子幾個吉電子伏的能量，進行固定靶的重離子碰撞。它們都能加速很重的離子，但入射能量不夠高，不足以提供形成QGP所需的能量密度。80年代末，兩臺新的極端相對論能量的固定靶重離子加速器投入運轉。一臺是美國佈魯克黑文國傢實驗室(BNL)的AGS，實現瞭將金離子加速到每核子10吉電子伏；另一臺是西歐中心(CERN)的SPS，可將鉛離子加速到每核子170吉電子伏。
2000年美國又在BNL建造瞭一臺更高能量的相對論性重離子對撞機(RHIC)，實現瞭金+金在每對核子200吉電子伏質心系能量下的對撞。比運行的固定靶重離子加速器的能量提高一個量級。歐洲各國共同建造的大型強子對撞機(LHC)於2006年投入運轉，計劃在建成兩年後每年用一個月的束流做相對論性重離子碰撞的實驗。它將實現鉛+鉛每對核子5 500吉電子伏質心系能量下的對撞。
研究內容 相對論性重離子碰撞和相變物理的研究主要集中在幾個方面：
①關於相變基本理論的研究。體系達到臨界溫度，就有可能發生解除誇克禁閉的相變；而在高密度區，則可能出現量子色動力學作用下誇克間類似於電磁相互作用下電子間作用的所謂“色超導”相和“手征”（左旋和右旋特征）對稱相。相變理論研究主要包括：應用格點規范量子色動力學和統計理論研究相變的條件，以及系統在相變前後的性質；應用相對論流體力學的唯象理論，研究系統在不同溫度和密度時的各種熱力學性質；應用有限溫度場論，研究QGP體系的熱力學參數的性質；用非平衡的輸運理論對系統演化過程進行研究。
②用唯象模型研究碰撞系統的宏觀性質。討論達到的能量密度，產生粒子的多重數、快度、橫動量分佈等；發展快速可靠的蒙特卡羅事例產生器，對各種實驗條件進行模擬，分析實驗可能達到的能量密度，判斷是否符合理論上認為可能出現相變的條件。通過對π幹涉現象、反映超短程關聯的間歇現象及碰撞過程中集體流的分析，研究末態粒子的產生機理，粒子產生中的短程關聯和集體效應等。
③相變產生信號的分析。從理論上尋找可信的誇克膠子等離子體相變產生的信號，預言其實驗表現。分析實驗結果，根據觀察到的現象判斷是否確實發生過相變。討論較多的可能信號有：J/ψ粒子產額壓低，奇異粒子產額增加，直接光子產生等。
研究現狀 相對論性重離子碰撞物理是復雜的交叉學科。它密切聯系著粒子物理、原子核物理、流體力學、統計物理學、輸運理論以及系統的蒙特卡羅數學模擬等廣泛的研究領域。隨著RHIC和LHC兩臺新加速器的運行，結合新的實驗結果，理論分析繼續深入，期望從實驗中找到QGP存在的確實證據，進而探求高溫高密度下物質的新形態，研究真空的性質，最終揭開誇克禁閉這個多年來困惑著物理學傢的謎。