20億度以上！
マレク・ヘインズの記事
2006年2月24日、『Physical Review Letters』誌に掲載
2006年7月16日更新（Zマシンにおける電流上昇曲線に関する脚注データ）
2008年3月18日更新。『サイエンス・アベンュール』誌に掲載された記事を受けて
非専門家向けの解説：
読者から、「20億度を超えるイオン温度が実際に測定されたのか」という質問が寄せられています。答えは「はい、測定されています」。しかし、1998年からZマシンを用いたプラズマ圧縮実験において、奇妙な現象が観測されていました。これらの実験はさまざまな構成で行われました。たとえば、ある実験では「鳥かご」が衝突する際に、中心部に「ガスパフ（ガス吹き出し）」を実行し、その場所を圧縮しました。X線の放射により、電子温度が測定されました。プラズマは「2種類の粒子」の混合物です：重いイオンと軽い電子。鉄イオンからなるプラズマ（鉄原子がイオン化されたもの）では、鉄の原子核（56個の核子、26個の陽子）は電子よりも10万倍も重い（原子核は「核子」と呼ばれる、質量がほぼ等しい陽子と中性子から構成されている。電子は陽子よりも1850倍軽い）。
ネオンガス管にも「2種類の粒子」が存在します。電子とネオンイオン（ただし、この場合、電子殻が完全に剥がれ去ったわけではない）。管が動作している間、内部には「二温度状態」の混合物が存在します。ネオン原子やネオンイオンからなるガスは冷たいまま（手で触れても大丈夫）ですが、電子の「ガス」は非常に高温（約10,000℃）に加熱されています。なぜ手で感じられないのか？ それは、電子が非常に「軽い」ため、エネルギー（熱）を手に伝えられないからです。しかし、衝突によって蛍光塗料を励起するだけのエネルギーは持っています。これが「蛍光灯」と呼ばれる所以です。蛍光とは、放射線を吸収して別の周波数で再放出する性質を意味します。たとえば、フルオレセインは太陽光を吸収して緑色の光を再放出します。ナイロン製のシャツは紫外線を吸収して可視光を再放出します（これが「ブラックライト」の原理であり、流行のクラブで使われます）。ネオン管の白色塗料は、紫外線領域のエネルギーを持つ電子に照射され、その衝突によって可視光として再放出されます。この塗料は、再放出光が可視光に最も近くなるように設計されています。しかし、完全に一致しているわけではありません。そのため、ネオン管の光が「奇妙な」ように見えるのです。
重要なポイントは、二温度状態の物質が存在しうるということです。この状態が生じる理由は、管内の電場（電極に電圧をかけることによって生じる）が電子にエネルギーを優先的に与えるためです。電子はそのエネルギーを衝突によってイオンに伝えるのですが、電子ガスとイオンガスの間のエネルギー移動は効率が悪いので、温度差が非常に大きくなることがあります。特に、物質が希薄な場合に顕著です。もし管に漏れがあり圧力が上昇すれば、この「非平衡状態」は直ちに消えます。電子ガスがイオンに強く結合されると、非常に急速に冷却されます。その結果、電子の運動が鈍くなる（気体の絶対温度は熱運動の激しさを示す）ため、電子は再び原子に戻り、中性化します。
Zマシンの実験では、非常に奇妙な状態が生じました。2種類の粒子が共存していました：
- 電子ガス
- イオンガス（主にステンレス鋼由来の鉄イオン、正の電荷を帯びた原子核）
1998年以降、研究者が測定結果を解釈しようとしたとき、彼らが得られたのはX線の測定から得られる電子温度のみでした。なぜ電子ガスがこの実験でX線の主な発生源となるのか？ それは、プラズマの周囲に非常に強い磁場が存在するためです。電子が4万km/sの速度でこの強磁場領域に入ると、螺旋運動を始めます。その結果、電子は「叫び」、いわゆる「制動放射」を発生させます。実験者はこのX線の測定を通じて、電子ガスの温度を測定しました。本論文で報告されている実験では、電子温度は3500万℃に達していました。
しかし、ベネットの関係式（「ベネットの式」）を用いて、外部の巨大な「磁気圧」を打ち消すために必要な鉄イオンの温度を推定すると、その値は非常に高いことが明らかになりました。1998年以降、どの実験でも、この2種類の温度の差は明らかに存在していました。この高い温度がなければ、プラズマは磁気圧によって瞬時に圧縮・破壊されてしまうからです。このことから、熱力学的平衡状態ではないことが示唆されます（熱力学的平衡では、混合気体のすべての成分の温度は等しくなる）。これは、ネオン管の状態とは逆で、ここではイオンガスの方が電子ガスよりも高温になっているのです。
簡単な補足：熱力学的平衡はどのようにして生じるのか？ それは粒子間の衝突によるエネルギー交換によって生じます。たとえば、運動エネルギーは1/2 m_i <v_i²> で表されます。添え字iがついているのは、プラズマが異なる種類の粒子の混合物であるためです。v_iは熱運動の速度で、<v_i²>は「平均二乗速度」です。したがって、1/2 m_i <v_i²>は、特定の種類の粒子の平均運動エネルギーを意味します。これは絶対温度の定義そのものであり、次式で表されます：
3/2 k T_i = 1/2 m_i <v_i²>
ここでkはボルツマン定数（1.38 × 10⁻²³）です。
衝突の際、粒子はエネルギーを交換します。このプロセスはエネルギーの等分配を促進します。純粋な運動エネルギーの場合、異なる種類の粒子は熱運動エネルギーを等しくしようとするため、絶対温度も等しくなります：
T_i = T_j
質量が異なる2種類の粒子（m_i と m_j、iの方が軽い）を考えます。気体の運動論によれば、衝突による運動エネルギーの移動率は、比 2m_i / m_j に比例します。質量が大きく異なる場合、平衡状態への回復は非常に遅くなります。これが、蛍光灯では顕著な非平衡状態（電子温度：10,000K、イオンおよび中性原子温度：300K、比は約33）が維持される理由です。電場は衝突の間隔で電子を再加速します（イオンは重いため、電場の影響を受けにくい）。この電場が非平衡状態を維持しています。電場を切ると、電子ガスは極めて急速に冷却され始めます。