2012年一个夏日清晨，黎明时分，我们喝到第三杯浓缩咖啡，视频连线将我们在加州理工学院的办公室与日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）实验室连接起来。在显示器上，我们看到了Razor团队的同事们，他们是众多物理学家小组之一，正在分析来自欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的CMS实验数据。Razor的创建是为了寻找奇异的碰撞，这将为超对称性提供首个证据，超对称性是一个有45年历史的物质理论，它将取代粒子物理学的标准理解，解决物理学中的深层问题，并解释宇宙神秘暗物质的本质。经过数十年的搜索，尚未发现超对称性的实验证据。
在欧洲核子研究中心，Razor团队的负责人Maurizio Pierini展示了一张新数据图，远在九个时区之外的我们都可以看到房间里人们惊讶地扬起的眉毛：出现了一个异常。“应该有人看看这个事件，”Pierini平淡地说。“事件”指的是一次特定的质子-质子碰撞，这是大型强子对撞机产生的数万亿次碰撞之一。几分钟之内，我们两人就在一台笔记本电脑上调出了这次碰撞的完整记录。
超对称性是解决困扰物理学家四十多年的深层问题的绝妙方案。它为一系列重要的“为什么”问题提供了答案：为什么粒子具有它们所拥有的质量？为什么力具有它们所拥有的强度？简而言之：为什么宇宙看起来是现在这个样子？此外，超对称性预测宇宙中充满了迄今为止隐藏的“超对称伙伴”粒子，这将解开暗物质之谜。毫不夸张地说，世界上大多数粒子物理学家都认为超对称性一定是真的——这个理论就是如此引人入胜。这些物理学家的长期希望一直是大型强子对撞机最终会发现这些超对称伙伴，从而为超对称性是宇宙的真实描述提供确凿的证据。
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当我们调出有趣的碰撞时，我们立即看到它似乎是超对称性的确凿信号。观察到两簇高能粒子朝一个方向移动，反冲着一些看不见的东西——也许是超对称伙伴？然而很快我们就注意到读数上有一个很大的红色尖峰。这会不会是探测器故障造成的虚假信号？事实证明就是如此——在看似永无止境的寻找超对称性的过程中又一次令人失望。
事实上，大型强子对撞机第一次运行的结果已经排除了几乎所有研究最多的超对称性版本。负面结果开始产生（如果不是粒子物理学的全面危机），至少也产生了普遍的恐慌。大型强子对撞机将于2015年初开始下一次运行，能量将达到其设计的最高水平，这将使ATLAS和CMS实验的研究人员能够发现（或排除）质量更大的超对称伙伴。如果在该次运行结束时仍然没有任何新发现，基础物理学将面临一个十字路口：要么放弃一代人的工作，因为缺乏证据表明自然按照我们的规则运行，要么继续努力，并希望在未来的某个时候，在某个地方，一个更大的对撞机将找到证据证明我们一直都是正确的。
当然，科学史上有很多长期探索最终取得辉煌成功的例子——例如在大型强子对撞机上发现长期寻找的希格斯玻色子。但目前，大多数粒子理论家都在咬指甲，因为大型强子对撞机的数据即将检验他们在过去半个世纪建立起来的宏伟的理论物理学殿堂的基础。
超对称性的必要性
超对称性是理解量子怪异现象的更广泛尝试的一部分。我们有一个非常成功且具有预测性的亚原子物理学理论，通俗地称为标准模型，它将量子力学与爱因斯坦的狭义相对论相结合，以描述粒子和力。物质由一种称为费米子（以恩里科·费米命名）的粒子构成，并通过与另一种称为玻色子（以萨特延德拉·玻色命名）的粒子相关的力结合在一起。
标准模型对亚原子世界中发生的事情提供了极好的描述。但是，当我们开始询问为什么标准模型具有它所具有的特征时，我们开始遇到麻烦。例如，它认为有三种不同类型的轻子（一种费米子）：电子、μ子和τ子。为什么是三种？为什么不是两种、四种或十五种？标准模型没有说明；我们需要探索更深层次的自然来发现答案。同样，我们可能会问，为什么电子具有它所拥有的质量？为什么它比希格斯玻色子轻？再说一遍：关于这一点，标准模型保持沉默。
理论粒子物理学家花费大量时间思考此类问题。他们构建模型来解释为什么标准模型看起来是现在这个样子。例如，弦理论就是深入了解更深层次现实的一种努力。其他例子不胜枚举。
然而，所有这些额外的理论都有一个问题。任何涉及新物理学的理论（如弦理论）都必然意味着新假设粒子的存在。这些粒子可能具有极高的质量，这将解释为什么我们尚未在像大型强子对撞机这样的加速器中发现它们，因为高质量粒子难以产生。但即使是高质量粒子仍然会影响像希格斯玻色子这样的普通粒子。为什么？答案在于量子怪异现象。
在量子力学中，粒子通过交换所谓的虚粒子相互作用，虚粒子会瞬间出现又消失。例如，两个电子之间的排斥电力，在第一近似中，是通过电子交换虚光子来描述的。理查德·费曼推导出了优雅的规则，用稳定的粒子与额外的虚粒子相互作用来描述量子效应。
然而，在量子理论中，任何没有被严格禁止的事情都实际上会发生，至少偶尔会发生。电子不仅会通过交换虚粒子相互作用，它们还会与所有其他粒子相互作用——包括我们新的、假设的粒子，这些粒子是由标准模型的扩展提出的。而这些相互作用会产生问题——除非，我们拥有像超对称性这样的东西。
考虑希格斯玻色子，它在标准模型中赋予基本粒子质量。如果你有一个希格斯玻色子，并且还有一些超重粒子，它们会通过虚量子相互作用相互作用。希格斯玻色子本身会变得超重。在那之后，宇宙中的一切都会转化为超重粒子。你和我都会坍缩成黑洞。对于我们没有坍缩成黑洞的最佳解释是超对称性。
超对称性的前景
超对称性的基本思想，通常以昵称“SUSY”（发音为“Suzy”）而闻名，是由20世纪70年代对对称性和粒子物理学之间的关系感兴趣的物理学家提出的。超对称性不是一个特定的理论，而是一个理论框架。如果宇宙的许多个别模型共享某些属性，则可以使它们“超对称”。
许多普通对称性都内置于粒子和力的物理定律中。这些定律不关心你身在何处，何时进行测量，你面向哪个方向，或者你是相对于你正在观察的物体移动还是静止。这些时空对称性在数学上暗示了能量、动量和角动量的守恒定律；从对称性本身，我们可以推导出能量、动量和质量之间的关系，最著名的例子是E = mc
2。自从阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发展了狭义相对论以来，所有这一切都已得到很好的理解。
量子物理学似乎尊重这些对称性。科学家们甚至使用对称性来预测新的现象。例如，保罗·狄拉克在1930年表明，当你将量子力学与相对论结合起来时，时空对称性意味着每个粒子都必须有一个相关的反粒子——一个电荷相反的粒子。这个想法在当时看起来很疯狂，因为没有人见过反粒子。但狄拉克被证明是正确的。他的理论对称性论证得出了大胆但正确的预测，即基本粒子的数量大约是所有人预期的两倍。
超对称性依赖于类似于狄拉克的论证。它假设存在时空的一个量子扩展，称为超空间，并且粒子在这个超空间中是对称的。
超空间没有像左右和上下这样的普通空间维度，而是额外的费米子维度。费米子维度中的运动非常有限。在普通空间维度中，你可以朝任何方向移动任意远的距离，对你采取的步长或步数没有限制。相比之下，在费米子维度中，你的步长是量子化的，一旦你采取一步，那个费米子维度就“满了”。如果你想采取更多步骤，你必须切换到不同的费米子维度，或者你必须后退一步。
如果你是玻色子，在费米子维度中迈出一步会将你变成费米子；如果你是费米子，在费米子维度中迈出一步会将你变成玻色子。此外，如果你在费米子维度中迈出一步，然后再退一步，你会发现你也已经在普通空间或时间中移动了最小量。因此，费米子维度中的运动以复杂的方式与普通运动联系在一起。
这一切为什么重要？因为在超对称世界中，费米子维度之间的对称性限制了粒子如何相互作用。特别是，所谓的自然超对称性极大地抑制了虚粒子的影响。自然超对称性阻止了希格斯玻色子以这样一种方式与高能粒子相互作用，从而导致我们所有人都变成黑洞。（超对称但非自然的理论要求我们提出额外的机制来抑制虚粒子。）自然超对称性为物理学家开发新思想以理解标准模型扫清了道路。
寻找超对称性
所有超对称理论都暗示，每个玻色子粒子都有一个费米子伙伴粒子，即超对称伙伴，反之亦然。由于所有已知的玻色子和费米子粒子似乎都不是彼此的超对称伙伴，因此只有当宇宙包含大量尚未被探测到的超对称伙伴粒子时，超对称性才是正确的。
问题就在这里。在最简单、最强大的超对称性版本——自然超对称性——中，超对称伙伴不应该比希格斯玻色子重太多。这意味着我们应该能够在大型强子对撞机上找到它们。事实上，如果你在10年前问物理学家，大多数人都会猜测到目前为止我们应该已经找到超对称伙伴的证据了。
然而，我们还没有找到。我们中的一位（Spiropulu）记得2009年的那个晚上，我在午夜前作为CMS探测器的值班负责人开始工作。控制室挤满了物理学家，每个人都在监控这个极其复杂的、重达14,000公吨的探测器的不同子系统。凌晨2点，我接到了来自位于27公里长的大型强子对撞机环路另一侧的欧洲核子研究中心控制中心的电话：今晚就是那个晚上；他们将尝试有史以来最高能量的质子碰撞。
我发出信号，小心地启动CMS的每个部分，将探测器中更脆弱的部分放在最后。凌晨4点11分，整个探测器启动。一堵显示器墙变得狂野，超快速电子设备闪烁着每秒2000万次发生在地下100米的碰撞显示。在费米实验室的Tevatron对撞机（位于伊利诺伊州巴塔维亚）追逐超对称性十年后，我的内心充满了期待，渴望识别出某些模式。冷静，我告诉自己，这仅仅是开始——通过目视检查来分析碰撞是很诱人的，但不可能那样做出发现。
事实上，你不会建造一个耗资100亿美元的对撞机及其巨大的探测器，打开它，就期望在第一晚——甚至在第一年——就做出发现。然而，从一开始我们的期望就很高。在CMS（以及ATLAS），我们制定了一个详尽的计划，以利用大型强子对撞机的首批数据发现超对称性。我们已经准备好在超对称性信号中找到暗物质粒子，不是直接找到，而是作为“缺失能量”：可见粒子反冲着一些看不见的东西而产生的明显的失衡。我们甚至走得更远，写了一个发现论文的模板，包括标题和日期。
那篇论文仍然没有写出来。实验只留下了一些未开发的窗口，超对称伙伴可能就隐藏在其中。它们不能太轻，否则我们早就应该找到它们了，它们也不能太重，因为那样它们就不能满足自然超对称性的需求，而自然超对称性是有效抑制虚粒子的一种超对称性类型。如果大型强子对撞机在下一次运行中没有找到它们——并且没有迅速找到——物理学危机将会加剧。
超对称性之后的未来
尽管如此，理论家们还不准备放弃更广义的超对称性概念——即使它不能完成我们希望自然超对称性所能完成的所有工作。回想一下，超对称性是构建世界模型的框架，而不是模型本身，因此即使所有当前模型都被排除在外，未来的数据也可能证明超对称性概念是正确的。
在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校卡弗里理论物理研究所的一次演讲中，新泽西州普林斯顿高等研究院的物理学家尼玛·阿卡尼-哈米德在黑板前来回踱步，向挤满房间的人们讲述超对称性的未来。如果在大型强子对撞机上没有发现超对称性会怎么样？他问道，然后在回答自己的问题之前：那么我们将构建新的超对称性模型，将超对称伙伴放在实验的触及范围之外。但这难道不意味着我们将改变我们的故事吗？没关系；理论家不需要保持一致——只有他们的理论才需要。
这种对超对称性坚定的忠诚是广泛存在的。然而，粒子理论家们确实承认，自然超对称性的概念已经陷入困境，除非很快发现超对称伙伴，否则将被扫进历史的垃圾堆。过去，这种难题曾导致科学领域的范式转变。例如，一个多世纪以前，未能找到“发光以太”导致了狭义相对论的诞生。
如果超对称性不是对世界的真实描述，那么什么可能会取而代之呢？以下是三种不同的推测性答案。所有这些答案都暗示了思考基础物理学和宇宙学的深刻新方向
多重宇宙：基本力的强度和粒子质量的相对大小涉及数字，这些数字的起源是一个谜。我们不喜欢认为这些数字是随机的，因为如果它们稍微不同，宇宙将是一个截然不同的地方。例如，原子将难以形成，生命也将无法进化。在理论物理学的术语中，宇宙似乎是“精细调谐”的。超对称性试图为这些参数为什么取它们所取的值提供一个答案。它开辟了一条通往更深层次物理学的门户。但如果那扇门户不存在呢？
在这种情况下，我们只能考虑这种精细调谐只是一个随机的意外——如果一个人假设多重宇宙，这个概念就会变得更具吸引力。在多重宇宙场景中，大爆炸不仅产生了我们看到的宇宙，还产生了我们看不到的大量我们宇宙的变体。在这种情况下，诸如“为什么电子具有它所拥有的质量？”之类的问题的答案采取以下形式：“那只是随机的运气——多重宇宙的其他部分具有不同的电子，质量也不同。”我们苦思冥想的看似精确的调谐只是宇宙历史的偶然事件。只有那些参数经过精细调谐以允许生命发展的宇宙中才会存在物理学家，他们会想知道为什么他们在大型强子对撞机上没有发现自然超对称性。
然而，在许多物理学家看来，多重宇宙与断言粒子物理学中的异常是由成群的隐形天使引起的，有着令人不安的相似之处。正如诺贝尔奖获得者戴维·格罗斯所说，诉诸不可知的初始条件听起来像是放弃。
额外维度：哈佛大学的物理学家丽莎·兰德尔和马里兰大学的拉曼·桑德鲁姆已经表明，具有“扭曲”几何形状的额外维度可以解释重力相对于其他已知力的弱点。如果这些额外维度是微观的，我们可能还没有注意到它们，但它们的大小和形状可能会对高能粒子物理学产生巨大影响。在这样的模型中，我们可能不会在大型强子对撞机上发现超对称伙伴，而是可能会发现卡鲁扎-克莱因模式，这是一种奇异的重粒子，其质量实际上是它们在额外维度中的运动能量。
维度嬗变：与调用超对称性来抑制虚粒子效应相反，一个新的想法是拥抱这种效应来解释质量的来源。暂时考虑一下质子。质子不是基本粒子。它由三个夸克的集合组成，这些夸克具有微小的质量，以及胶子，它们根本没有质量。质子比它内部的夸克和胶子的总和重得多。这种质量从何而来？它来自将质子凝聚在一起的“强”力产生的能量场。我们对这些场的理解使我们能够仅根据π等普通数字准确预测质子的质量。
这是粒子物理学中一个奇怪的情况。通常，我们只能通过从其他质量开始来计算质量。例如，标准模型没有提供任何预测希格斯玻色子质量的方法——我们必须测量它。鉴于我们能够如此巧妙地预测质子的质量，这似乎是一个明显的错误。在费米实验室物理学家威廉·A·巴丁的开创性工作的基础上，一些激进的理论家现在提出，希格斯质量尺度是通过一个类似的称为维度嬗变的过程产生的。
如果这种方法既要保持有用的虚粒子效应，又要避免灾难性的效应——否则这将是超对称性所扮演的角色——我们将不得不放弃关于物理定律如何在超高能量下统一起来的流行猜测。它也使长期寻求的量子力学与广义相对论之间的联系变得更加神秘。然而，这种方法还有其他优点。这种模型可以为暗物质粒子产生质量。它们还预测暗物质通过希格斯玻色子介导的力与普通物质相互作用。这个引人注目的预测将在未来几年内在大型强子对撞机和地下暗物质探测实验中得到检验。
希格斯玻色子可能掌握着其他线索。希格斯玻色子的发现表明，宇宙中到处都存在一个希格斯能量场，它赋予基本粒子质量。这意味着“空”空间的真空是一个繁忙的地方，希格斯能量和虚粒子都在产生复杂的动力学。人们可能会想，真空是否真的稳定，或者是否有一天某个不幸的量子事件可能会触发从我们的宇宙到一张白纸的灾难性转变。超对称性起到稳定真空并防止此类事故发生的作用。但是，如果没有超对称性，真空的稳定性就敏感地取决于希格斯玻色子的质量：较重的希格斯玻色子意味着宇宙是稳定的，而较轻的希格斯玻色子意味着最终的厄运。值得注意的是，测量的希格斯玻色子质量正好处于边缘，这意味着真空是长寿命的，但最终是不稳定的[参见对面页面的方框]。大自然正试图告诉我们一些事情，但我们不知道是什么。
未来
如果在大型强子对撞机的下一次运行中发现超对称伙伴，那么当前粒子物理学家的焦虑将被对终于突破超世界门槛的巨大兴奋所取代。一场狂野的智力冒险即将开始。
然而，如果没有发现超对称伙伴，我们将在对量子物理学的基本理解方面面临范式破裂。这种前景已经在激发人们对宇宙结构基础的基本现象进行彻底的反思。更好地理解希格斯玻色子的性质将是构建新范式的核心。暗物质的实验信号（暗物质是粒子物理学中孤独但持久的异常值）最终可能成为指明前进方向的灯塔。