在兩類粒子之間的一種對稱性
到現在你已經知道，每個粒子非此即彼，屬於兩類之一。一類是費米子——電子、夸克這樣的物質粒子，是獨行者，拒絕與別人共處同一狀態，正因如此原子才有結構，你也不會從椅子裡掉下去。另一類是玻色子——光子那樣的傳力粒子，是合群者，樂於一擁而上擠進同一個狀態，雷射正是靠這個才得以存在。這兩大家族行為如此不同，把它們當作彼此分隔的兩個世界本是再自然不過的。而超對稱（簡稱 SUSY）下了一個大膽的賭注：它們其實根本不分隔——它們是同一種更深結構的兩副面孔，由一種全新的對稱性聯繫著。
回想一下在這套遊戲裡「對稱性」是什麼：它是你可以對實驗做的一種改變，而定律看上去分毫不差。把儀器轉個方向，物理學並不在乎它朝哪邊。超對稱是個古怪得多的動作——它把每一個費米子換成一個玻色子、每一個玻色子換成一個費米子，並要求規則在這場對調之後原封不動。如果這場對調真是自然界的一種對稱性，那它就不能是「換成空無」的對調：我們所知的每個粒子，都必須在另一邊有一個相反類型的夥伴在等著。這些夥伴叫做超夥伴粒子，正是它們讓超對稱變得可檢驗，而不只是好看。
給每個粒子配一個夥伴——以及一個命名遊戲
把標準模型的全部成員拉出來——六種夸克、六種輕子、光子、膠子、W 與 Z、希格斯——超對稱說，每一個都偷偷帶來了一位類型相反的「同行者」。這些夥伴遵循一套俐落的命名約定。物質費米子的夥伴是一個玻色子，名字前面焊上一個「超」字：電子與超電子配對，夸克與超夸克，頂夸克與「超頂夸克」（stop）。傳力玻色子的夥伴是一個費米子，名字後面綴上「微子」二字：光子的夥伴是光微子，膠子的是膠微子，W 的是 W 微子。每個夥伴帶著與其孿生粒子相同的電荷、相同的色荷；唯有自旋錯開了半個單位。
這裡有一個立刻讓人洩氣的麻煩。如果超對稱嚴格成立，每個超夥伴就會與它已知的孿生粒子分毫不差地一樣重——超電子會和電子一樣輕。輕到那個程度的粒子，早就該在尋常實驗裡被造出來、被看見了。它們沒有。所以超對稱若真存在，就必定是一種被「破缺」的對稱性：夥伴是有的，但破缺讓它們變重，也許遠比我們迄今造出過的任何東西都重得多。這話誠實卻叫人不安，因為你越是得把夥伴質量往上調以便把它們藏起來，超對稱那些主要賣點就越是被削弱——下面我們就會看到這一點。
物理學家為何想要它：輕的希格斯，與三條匯聚的力
超對稱的發明並不是為了優雅；它的發明是為了解決上一階裡一樁實打實的頭痛事——等級問題。回想那份憂慮：希格斯質量會從真空裡漲落的每一個粒子那裡收到量子修正，而這些修正會自然地朝著龐大的能量增長，於是一個僅僅 125 GeV 的希格斯，看上去像是只靠一場精細調節到近乎離譜的抵消才得以存活。超對稱幾乎是魔法般地修好了它。對每一個把希格斯質量往上推的費米子圈圖，它的玻色子超夥伴都貢獻一個把它往下壓的圈圖，分量幾乎相等——而費米子圈圖與玻色子圈圖之間有一個關鍵的符號反轉，使這兩部分相互抵消。那個危險的敏感性悄無聲息地消失了。
超對稱還甩出了第二份意料之外的紅利。標準模型的三種力強度並不是固定的數——它們隨能量漂移，強交互作用變弱，另外兩者緩緩爬升。把這漂移外推到極其巨大的能量，在樸素的標準模型裡，三條線幾乎相遇卻以一道看得見的縫隙錯開。撒進那些額外的超夥伴粒子，三條線就恰好彎折到幾乎交於同一點。這種近乎耦合常數的統一，正是你預期會看到的——如果三種力在高能處確是同一種大統一之力的不同側面的話。這是一條撩人的暗示，不過一如既往，它是一次遠超我們能造的任何機器的外推。
白送的禮物：一個暗物質粒子
第三份獎品，才是這篇指南真正要講的。天文學家幾十年前就已知道，有某種看不見的東西，其總量比所有恆星和氣體加起來還多出大約五倍——星系旋轉得太快，單靠它們的可見物質根本拉不住自己。無論這暗物質是什麼，沒有任何標準模型粒子能與之相符。超對稱白送給我們一個候選者。在那些新夥伴中，有幾個是電中性的——光微子、Z 微子和兩個希格斯微子——而量子力學允許它們混合成摻雜的狀態。這些摻雜態裡最輕的那一個，就叫做中性微子（neutralino）。
讓中性微子成為一個可信的暗物質粒子的，是三種特質的組合。第一，它是中性的，於是無視光——看不見，恰如暗物質必須如此。第二，在許多超對稱模型裡，最輕的超夥伴是穩定的：一條叫 R 宇稱的記帳規則禁止它衰變成普通粒子，於是一旦造出就永世長存。第三，它只透過弱交互作用打交道，強度大致與弱交互作用相當。一個沉重、穩定、弱交互作用的粒子有個通用的名字：WIMP，即弱交互作用大質量粒子。中性微子是被研究得最多的那種具體 WIMP，但並非唯一可設想的一種。
現在說真正了不起的部分。在熾熱稠密的早期宇宙裡，WIMP 會被大量造出來，並成對湮滅回普通粒子。隨著宇宙膨脹變冷，WIMP 越來越稀疏，直到它們再也找不到彼此來湮滅——到那一刻，它們的數目就「凍結」了，永遠鎖定。這種熱凍結取決於它們相互作用有多強，而當你代入弱交互作用尺度的強度時，幾乎是毫不費力地，就得到差不多正好夠充當全部暗物質的殘餘量。這個可疑地整齊的巧合有個綽號：「WIMP 奇蹟」。
early universe: WIMP + WIMP <-> ordinary + ordinary as it expands & cools, the reverse stops; the number 'freezes'. relic amount ~ 1 / (annihilation strength) plug in weak-force-strength interactions -> leftover density ~ the observed dark matter. (the 'WIMP miracle')
艱辛的搜尋——以及誠實的記分牌
如果此刻中性微子正穿過你的房間，你究竟要怎樣才能逮住一個？正因為 WIMP 幾乎不相互作用，搜尋便沿著三條彼此完全不同的戰線同時展開，每一條都利用它可能露出馬腳的一種不同方式。
- 造出它。在大型強子對撞機裡把質子對撞，可能造出一個中性微子——但它看不見，會神不知鬼不覺地逃出探測器。它留下的名片是「丟失的動量」：可見的碎片彼此不平衡，洩露了有個中性而穩定的東西帶著能量飛走了。
- 直接捕捉它。把一桶超純液體（常用氙）埋到地下一英里深以擋住宇宙線，然後靜候來自我們星系的某個路過的 WIMP 撞一下某個原子核，激出一絲微弱的反衝和一縷微光。
- 間接發現它。把望遠鏡對準暗物質聚集得稠密的地方——銀河系中心、矮星系——尋找兩個 WIMP 在太空中相遇湮滅時會放出的伽馬射線或反物質。
這三種路徑——製造、直接、間接——構成了直接與間接探測綱領的核心，它們之間彼此交叉驗證得極漂亮。那麼這一切努力找到了什麼？這就是誠實的記分牌：什麼也沒有。大型強子對撞機沒造出任何超夥伴，也沒出現反常的丟失能量超出；噸量級的地下探測器運行了數年，未見任何令人信服的 WIMP 反衝；間接搜尋也沒找到乾淨的湮滅信號。在最自然的 WIMP 質量範圍內，這三條戰線都一無所獲，而限制如今已極其嚴苛——直接探測實驗正在逼近來自普通微中子的本底。
面對一個美麗卻沒有現身的想法，你該帶走什麼？不是它已死，也不是它當初愚蠢——而是自然並沒有義務像我們所盼的那樣整齊。超對稱最簡單、最自然的版本，如今已被大型強子對撞機強烈地不看好，而經典的 WIMP 窗口也已大體關閉。更重、或藏得更巧妙的超對稱也許仍在某處，而暗物質則確鑿無疑地真實存在。但這塊空白的記分牌，已促使這一領域更認真地對待別的想法——更輕的隱藏部門粒子，尤其是軸子，那是本階後面一篇指南的主題。這正是誠實的進步該有的樣子：一個絕美的假說被檢驗到幾乎山窮水盡，而一個領域謙遜到願意繼續到別處去找。