2012年一個夏日清晨，黎明時分，我們喝到第三杯濃縮咖啡，影片連線將我們在加州理工學院的辦公室與日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）實驗室連線起來。在顯示器上，我們看到了Razor團隊的同事們，他們是眾多物理學家小組之一，正在分析來自歐洲核子研究中心大型強子對撞機（LHC）的CMS實驗資料。Razor的建立是為了尋找奇異的碰撞，這將為超對稱性提供首個證據，超對稱性是一個有45年曆史的物質理論，它將取代粒子物理學的標準理解，解決物理學中的深層問題，並解釋宇宙神秘暗物質的本質。經過數十年的搜尋，尚未發現超對稱性的實驗證據。
在歐洲核子研究中心，Razor團隊的負責人Maurizio Pierini展示了一張新資料圖，遠在九個時區之外的我們都可以看到房間裡人們驚訝地揚起的眉毛：出現了一個異常。“應該有人看看這個事件，”Pierini平淡地說。“事件”指的是一次特定的質子-質子碰撞，這是大型強子對撞機產生的數萬億次碰撞之一。幾分鐘之內，我們兩人就在一臺筆記型電腦上調出了這次碰撞的完整記錄。
超對稱性是解決困擾物理學家四十多年的深層問題的絕妙方案。它為一系列重要的“為什麼”問題提供了答案：為什麼粒子具有它們所擁有的質量？為什麼力具有它們所擁有的強度？簡而言之：為什麼宇宙看起來是現在這個樣子？此外，超對稱性預測宇宙中充滿了迄今為止隱藏的“超對稱夥伴”粒子，這將解開暗物質之謎。毫不誇張地說，世界上大多數粒子物理學家都認為超對稱性一定是真的——這個理論就是如此引人入勝。這些物理學家的長期希望一直是大型強子對撞機最終會發現這些超對稱夥伴，從而為超對稱性是宇宙的真實描述提供確鑿的證據。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
當我們調出有趣的碰撞時，我們立即看到它似乎是超對稱性的確鑿訊號。觀察到兩簇高能粒子朝一個方向移動，反衝著一些看不見的東西——也許是超對稱夥伴？然而很快我們就注意到讀數上有一個很大的紅色尖峰。這會不會是探測器故障造成的虛假訊號？事實證明就是如此——在看似永無止境的尋找超對稱性的過程中又一次令人失望。
事實上，大型強子對撞機第一次執行的結果已經排除了幾乎所有研究最多的超對稱性版本。負面結果開始產生（如果不是粒子物理學的全面危機），至少也產生了普遍的恐慌。大型強子對撞機將於2015年初開始下一次執行，能量將達到其設計的最高水平，這將使ATLAS和CMS實驗的研究人員能夠發現（或排除）質量更大的超對稱夥伴。如果在該次執行結束時仍然沒有任何新發現，基礎物理學將面臨一個十字路口：要麼放棄一代人的工作，因為缺乏證據表明自然按照我們的規則執行，要麼繼續努力，並希望在未來的某個時候，在某個地方，一個更大的對撞機將找到證據證明我們一直都是正確的。
當然，科學史上有很多長期探索最終取得輝煌成功的例子——例如在大型強子對撞機上發現長期尋找的希格斯玻色子。但目前，大多數粒子理論家都在咬指甲，因為大型強子對撞機的資料即將檢驗他們在過去半個世紀建立起來的宏偉的理論物理學殿堂的基礎。
超對稱性的必要性
超對稱性是理解量子怪異現象的更廣泛嘗試的一部分。我們有一個非常成功且具有預測性的亞原子物理學理論，通俗地稱為標準模型，它將量子力學與愛因斯坦的狹義相對論相結合，以描述粒子和力。物質由一種稱為費米子（以恩里科·費米命名）的粒子構成，並透過與另一種稱為玻色子（以薩特延德拉·玻色命名）的粒子相關的力結合在一起。
標準模型對亞原子世界中發生的事情提供了極好的描述。但是，當我們開始詢問為什麼標準模型具有它所具有的特徵時，我們開始遇到麻煩。例如，它認為有三種不同型別的輕子（一種費米子）：電子、μ子和τ子。為什麼是三種？為什麼不是兩種、四種或十五種？標準模型沒有說明；我們需要探索更深層次的自然來發現答案。同樣，我們可能會問，為什麼電子具有它所擁有的質量？為什麼它比希格斯玻色子輕？再說一遍：關於這一點，標準模型保持沉默。
理論粒子物理學家花費大量時間思考此類問題。他們構建模型來解釋為什麼標準模型看起來是現在這個樣子。例如，弦理論就是深入瞭解更深層次現實的一種努力。其他例子不勝列舉。
然而，所有這些額外的理論都有一個問題。任何涉及新物理學的理論（如弦理論）都必然意味著新假設粒子的存在。這些粒子可能具有極高的質量，這將解釋為什麼我們尚未在像大型強子對撞機這樣的加速器中發現它們，因為高質量粒子難以產生。但即使是高質量粒子仍然會影響像希格斯玻色子這樣的普通粒子。為什麼？答案在於量子怪異現象。
在量子力學中，粒子透過交換所謂的虛粒子相互作用，虛粒子會瞬間出現又消失。例如，兩個電子之間的排斥電力，在第一近似中，是透過電子交換虛光子來描述的。理查德·費曼推匯出了優雅的規則，用穩定的粒子與額外的虛粒子相互作用來描述量子效應。
然而，在量子理論中，任何沒有被嚴格禁止的事情都實際上會發生，至少偶爾會發生。電子不僅會透過交換虛粒子相互作用，它們還會與所有其他粒子相互作用——包括我們新的、假設的粒子，這些粒子是由標準模型的擴充套件提出的。而這些相互作用會產生問題——除非，我們擁有像超對稱性這樣的東西。
考慮希格斯玻色子，它在標準模型中賦予基本粒子質量。如果你有一個希格斯玻色子，並且還有一些超重粒子，它們會透過虛量子相互作用相互作用。希格斯玻色子本身會變得超重。在那之後，宇宙中的一切都會轉化為超重粒子。你和我都會坍縮成黑洞。對於我們沒有坍縮成黑洞的最佳解釋是超對稱性。
超對稱性的前景
超對稱性的基本思想，通常以暱稱“SUSY”（發音為“Suzy”）而聞名，是由20世紀70年代對對稱性和粒子物理學之間的關係感興趣的物理學家提出的。超對稱性不是一個特定的理論，而是一個理論框架。如果宇宙的許多個別模型共享某些屬性，則可以使它們“超對稱”。
許多普通對稱性都內置於粒子和力的物理定律中。這些定律不關心你身在何處，何時進行測量，你面向哪個方向，或者你是相對於你正在觀察的物體移動還是靜止。這些時空對稱性在數學上暗示了能量、動量和角動量的守恆定律；從對稱性本身，我們可以推匯出能量、動量和質量之間的關係，最著名的例子是E = mc
2。自從阿爾伯特·愛因斯坦在1905年發展了狹義相對論以來，所有這一切都已得到很好的理解。
量子物理學似乎尊重這些對稱性。科學家們甚至使用對稱性來預測新的現象。例如，保羅·狄拉克在1930年表明，當你將量子力學與相對論結合起來時，時空對稱性意味著每個粒子都必須有一個相關的反粒子——一個電荷相反的粒子。這個想法在當時看起來很瘋狂，因為沒有人見過反粒子。但狄拉克被證明是正確的。他的理論對稱性論證得出了大膽但正確的預測，即基本粒子的數量大約是所有人預期的兩倍。
超對稱性依賴於類似於狄拉克的論證。它假設存在時空的一個量子擴充套件，稱為超空間，並且粒子在這個超空間中是對稱的。
超空間沒有像左右和上下這樣的普通空間維度，而是額外的費米子維度。費米子維度中的運動非常有限。在普通空間維度中，你可以朝任何方向移動任意遠的距離，對你採取的步長或步數沒有限制。相比之下，在費米子維度中，你的步長是量子化的，一旦你採取一步，那個費米子維度就“滿了”。如果你想採取更多步驟，你必須切換到不同的費米子維度，或者你必須後退一步。
如果你是玻色子，在費米子維度中邁出一步會將你變成費米子；如果你是費米子，在費米子維度中邁出一步會將你變成玻色子。此外，如果你在費米子維度中邁出一步，然後再退一步，你會發現你也已經在普通空間或時間中移動了最小量。因此，費米子維度中的運動以複雜的方式與普通運動聯絡在一起。
這一切為什麼重要？因為在超對稱世界中，費米子維度之間的對稱性限制了粒子如何相互作用。特別是，所謂的自然超對稱性極大地抑制了虛粒子的影響。自然超對稱性阻止了希格斯玻色子以這樣一種方式與高能粒子相互作用，從而導致我們所有人都變成黑洞。（超對稱但非自然的理論要求我們提出額外的機制來抑制虛粒子。）自然超對稱性為物理學家開發新思想以理解標準模型掃清了道路。
尋找超對稱性
所有超對稱理論都暗示，每個玻色子粒子都有一個費米子夥伴粒子，即超對稱夥伴，反之亦然。由於所有已知的玻色子和費米子粒子似乎都不是彼此的超對稱夥伴，因此只有當宇宙包含大量尚未被探測到的超對稱夥伴粒子時，超對稱性才是正確的。
問題就在這裡。在最簡單、最強大的超對稱性版本——自然超對稱性——中，超對稱夥伴不應該比希格斯玻色子重太多。這意味著我們應該能夠在大型強子對撞機上找到它們。事實上，如果你在10年前問物理學家，大多數人都會猜測到目前為止我們應該已經找到超對稱夥伴的證據了。
然而，我們還沒有找到。我們中的一位（Spiropulu）記得2009年的那個晚上，我在午夜前作為CMS探測器的值班負責人開始工作。控制室擠滿了物理學家，每個人都在監控這個極其複雜的、重達14,000公噸的探測器的不同子系統。凌晨2點，我接到了來自位於27公里長的大型強子對撞機環路另一側的歐洲核子研究中心控制中心的電話：今晚就是那個晚上；他們將嘗試有史以來最高能量的質子碰撞。
我發出訊號，小心地啟動CMS的每個部分，將探測器中更脆弱的部分放在最後。凌晨4點11分，整個探測器啟動。一堵顯示器牆變得狂野，超快速電子裝置閃爍著每秒2000萬次發生在地下100米的碰撞顯示。在費米實驗室的Tevatron對撞機（位於伊利諾伊州巴塔維亞）追逐超對稱性十年後，我的內心充滿了期待，渴望識別出某些模式。冷靜，我告訴自己，這僅僅是開始——透過目視檢查來分析碰撞是很誘人的，但不可能那樣做出發現。
事實上，你不會建造一個耗資100億美元的對撞機及其巨大的探測器，開啟它，就期望在第一晚——甚至在第一年——就做出發現。然而，從一開始我們的期望就很高。在CMS（以及ATLAS），我們制定了一個詳盡的計劃，以利用大型強子對撞機的首批資料發現超對稱性。我們已經準備好在超對稱性訊號中找到暗物質粒子，不是直接找到，而是作為“缺失能量”：可見粒子反衝著一些看不見的東西而產生的明顯的失衡。我們甚至走得更遠，寫了一個發現論文的模板，包括標題和日期。
那篇論文仍然沒有寫出來。實驗只留下了一些未開發的視窗，超對稱夥伴可能就隱藏在其中。它們不能太輕，否則我們早就應該找到它們了，它們也不能太重，因為那樣它們就不能滿足自然超對稱性的需求，而自然超對稱性是有效抑制虛粒子的一種超對稱性型別。如果大型強子對撞機在下一次執行中沒有找到它們——並且沒有迅速找到——物理學危機將會加劇。
超對稱性之後的未來
儘管如此，理論家們還不準備放棄更廣義的超對稱性概念——即使它不能完成我們希望自然超對稱性所能完成的所有工作。回想一下，超對稱性是構建世界模型的框架，而不是模型本身，因此即使所有當前模型都被排除在外，未來的資料也可能證明超對稱性概念是正確的。
在加利福尼亞大學聖巴巴拉分校卡弗裡理論物理研究所的一次演講中，新澤西州普林斯頓高等研究院的物理學家尼瑪·阿卡尼-哈米德在黑板前來回踱步，向擠滿房間的人們講述超對稱性的未來。如果在大型強子對撞機上沒有發現超對稱性會怎麼樣？他問道，然後在回答自己的問題之前：那麼我們將構建新的超對稱性模型，將超對稱夥伴放在實驗的觸及範圍之外。但這難道不意味著我們將改變我們的故事嗎？沒關係；理論家不需要保持一致——只有他們的理論才需要。
這種對超對稱性堅定的忠誠是廣泛存在的。然而，粒子理論家們確實承認，自然超對稱性的概念已經陷入困境，除非很快發現超對稱夥伴，否則將被掃進歷史的垃圾堆。過去，這種難題曾導致科學領域的正規化轉變。例如，一個多世紀以前，未能找到“發光以太”導致了狹義相對論的誕生。
如果超對稱性不是對世界的真實描述，那麼什麼可能會取而代之呢？以下是三種不同的推測性答案。所有這些答案都暗示了思考基礎物理學和宇宙學的深刻新方向
多重宇宙：基本力的強度和粒子質量的相對大小涉及數字，這些數字的起源是一個謎。我們不喜歡認為這些數字是隨機的，因為如果它們稍微不同，宇宙將是一個截然不同的地方。例如，原子將難以形成，生命也將無法進化。在理論物理學的術語中，宇宙似乎是“精細調諧”的。超對稱性試圖為這些引數為什麼取它們所取的值提供一個答案。它開闢了一條通往更深層次物理學的門戶。但如果那扇門戶不存在呢？
在這種情況下，我們只能考慮這種精細調諧只是一個隨機的意外——如果一個人假設多重宇宙，這個概念就會變得更具吸引力。在多重宇宙場景中，大爆炸不僅產生了我們看到的宇宙，還產生了我們看不到的大量我們宇宙的變體。在這種情況下，諸如“為什麼電子具有它所擁有的質量？”之類的問題的答案採取以下形式：“那只是隨機的運氣——多重宇宙的其他部分具有不同的電子，質量也不同。”我們苦思冥想的看似精確的調諧只是宇宙歷史的偶然事件。只有那些引數經過精細調諧以允許生命發展的宇宙中才會存在物理學家，他們會想知道為什麼他們在大型強子對撞機上沒有發現自然超對稱性。
然而，在許多物理學家看來，多重宇宙與斷言粒子物理學中的異常是由成群的隱形天使引起的，有著令人不安的相似之處。正如諾貝爾獎獲得者戴維·格羅斯所說，訴諸不可知的初始條件聽起來像是放棄。
額外維度：哈佛大學的物理學家麗莎·蘭德爾和馬里蘭大學的拉曼·桑德魯姆已經表明，具有“扭曲”幾何形狀的額外維度可以解釋重力相對於其他已知力的弱點。如果這些額外維度是微觀的，我們可能還沒有注意到它們，但它們的大小和形狀可能會對高能粒子物理學產生巨大影響。在這樣的模型中，我們可能不會在大型強子對撞機上發現超對稱夥伴，而是可能會發現卡魯扎-克萊因模式，這是一種奇異的重粒子，其質量實際上是它們在額外維度中的運動能量。
維度嬗變：與呼叫超對稱性來抑制虛粒子效應相反，一個新的想法是擁抱這種效應來解釋質量的來源。暫時考慮一下質子。質子不是基本粒子。它由三個夸克的集合組成，這些夸克具有微小的質量，以及膠子，它們根本沒有質量。質子比它內部的夸克和膠子的總和重得多。這種質量從何而來？它來自將質子凝聚在一起的“強”力產生的能量場。我們對這些場的理解使我們能夠僅根據π等普通數字準確預測質子的質量。
這是粒子物理學中一個奇怪的情況。通常，我們只能透過從其他質量開始來計算質量。例如，標準模型沒有提供任何預測希格斯玻色子質量的方法——我們必須測量它。鑑於我們能夠如此巧妙地預測質子的質量，這似乎是一個明顯的錯誤。在費米實驗室物理學家威廉·A·巴丁的開創性工作的基礎上，一些激進的理論家現在提出，希格斯質量尺度是透過一個類似的稱為維度嬗變的過程產生的。
如果這種方法既要保持有用的虛粒子效應，又要避免災難性的效應——否則這將是超對稱性所扮演的角色——我們將不得不放棄關於物理定律如何在超高能量下統一起來的流行猜測。它也使長期尋求的量子力學與廣義相對論之間的聯絡變得更加神秘。然而，這種方法還有其他優點。這種模型可以為暗物質粒子產生質量。它們還預測暗物質透過希格斯玻色子介導的力與普通物質相互作用。這個引人注目的預測將在未來幾年內在大型強子對撞機和地下暗物質探測實驗中得到檢驗。
希格斯玻色子可能掌握著其他線索。希格斯玻色子的發現表明，宇宙中到處都存在一個希格斯能量場，它賦予基本粒子質量。這意味著“空”空間的真空是一個繁忙的地方，希格斯能量和虛粒子都在產生複雜的動力學。人們可能會想，真空是否真的穩定，或者是否有一天某個不幸的量子事件可能會觸發從我們的宇宙到一張白紙的災難性轉變。超對稱性起到穩定真空並防止此類事故發生的作用。但是，如果沒有超對稱性，真空的穩定性就敏感地取決於希格斯玻色子的質量：較重的希格斯玻色子意味著宇宙是穩定的，而較輕的希格斯玻色子意味著最終的厄運。值得注意的是，測量的希格斯玻色子質量正好處於邊緣，這意味著真空是長壽命的，但最終是不穩定的[參見對面頁面的方框]。大自然正試圖告訴我們一些事情，但我們不知道是什麼。
未來
如果在大型強子對撞機的下一次執行中發現超對稱夥伴，那麼當前粒子物理學家的焦慮將被對終於突破超世界門檻的巨大興奮所取代。一場狂野的智力冒險即將開始。
然而，如果沒有發現超對稱夥伴，我們將在對量子物理學的基本理解方面面臨正規化破裂。這種前景已經在激發人們對宇宙結構基礎的基本現象進行徹底的反思。更好地理解希格斯玻色子的性質將是構建新正規化的核心。暗物質的實驗訊號（暗物質是粒子物理學中孤獨但持久的異常值）最終可能成為指明前進方向的燈塔。