在两类粒子之间的一种对称性
到现在你已经知道，每个粒子非此即彼，属于两类之一。一类是费米子——电子、夸克这样的物质粒子，是独行者，拒绝与别人共处同一状态，正因如此原子才有结构，你也不会从椅子里掉下去。另一类是玻色子——光子那样的传力粒子，是合群者，乐于一拥而上挤进同一个状态，激光正是靠这个才得以存在。这两大家族行为如此不同，把它们当作彼此分隔的两个世界本是再自然不过的。而超对称（简称 SUSY）下了一个大胆的赌注：它们其实根本不分隔——它们是同一种更深结构的两副面孔，由一种全新的对称性联系着。
回想一下在这套游戏里“对称性”是什么：它是你可以对实验做的一种改变，而定律看上去分毫不差。把仪器转个方向，物理学并不在乎它朝哪边。超对称是个古怪得多的动作——它把每一个费米子换成一个玻色子、每一个玻色子换成一个费米子，并要求规则在这场对调之后原封不动。如果这场对调真是自然界的一种对称性，那它就不能是“换成空无”的对调：我们所知的每个粒子，都必须在另一边有一个相反类型的伙伴在等着。这些伙伴叫做超伙伴粒子，正是它们让超对称变得可检验，而不只是好看。
给每个粒子配一个伙伴——以及一个命名游戏
把标准模型的全部成员拉出来——六种夸克、六种轻子、光子、胶子、W 与 Z、希格斯——超对称说，每一个都偷偷带来了一位类型相反的“同行者”。这些伙伴遵循一套利落的命名约定。物质费米子的伙伴是一个玻色子，名字前面焊上一个“超”字：电子与超电子配对，夸克与超夸克，顶夸克与“超顶夸克”（stop）。传力玻色子的伙伴是一个费米子，名字后面缀上“微子”二字：光子的伙伴是光微子，胶子的是胶微子，W 的是 W 微子。每个伙伴带着与其孪生粒子相同的电荷、相同的色荷；唯有自旋错开了半个单位。
这里有一个立刻让人泄气的麻烦。如果超对称严格成立，每个超伙伴就会与它已知的孪生粒子分毫不差地一样重——超电子会和电子一样轻。轻到那个程度的粒子，早就该在寻常实验里被造出来、被看见了。它们没有。所以超对称若真存在，就必定是一种被“破缺”的对称性：伙伴是有的，但破缺让它们变重，也许远比我们迄今造出过的任何东西都重得多。这话诚实却叫人不安，因为你越是得把伙伴质量往上调以便把它们藏起来，超对称那些主要卖点就越是被削弱——下面我们就会看到这一点。
物理学家为何想要它：轻的希格斯，与三条汇聚的力
超对称的发明并不是为了优雅；它的发明是为了解决上一阶里一桩实打实的头痛事——等级问题。回想那份忧虑：希格斯质量会从真空里涨落的每一个粒子那里收到量子修正，而这些修正会自然地朝着庞大的能量增长，于是一个仅仅 125 GeV 的希格斯，看上去像是只靠一场精细调节到近乎离谱的抵消才得以存活。超对称几乎是魔法般地修好了它。对每一个把希格斯质量往上推的费米子圈图，它的玻色子超伙伴都贡献一个把它往下压的圈图，分量几乎相等——而费米子圈图与玻色子圈图之间有一个关键的符号反转，使这两部分相互抵消。那个危险的敏感性悄无声息地消失了。
超对称还甩出了第二份意料之外的红利。标准模型的三种力强度并不是固定的数——它们随能量漂移，强相互作用变弱，另外两者缓缓爬升。把这漂移外推到极其巨大的能量，在朴素的标准模型里，三条线几乎相遇却以一道看得见的缝隙错开。撒进那些额外的超伙伴粒子，三条线就恰好弯折到几乎交于同一点。这种近乎耦合常数的统一，正是你预期会看到的——如果三种力在高能处确是同一种大统一之力的不同侧面的话。这是一条撩人的暗示，不过一如既往，它是一次远超我们能造的任何机器的外推。
白送的礼物：一个暗物质粒子
第三份奖品，才是这篇指南真正要讲的。天文学家几十年前就已知道，有某种看不见的东西，其总量比所有恒星和气体加起来还多出大约五倍——星系旋转得太快，单靠它们的可见物质根本拉不住自己。无论这暗物质是什么，没有任何标准模型粒子能与之相符。超对称白送给我们一个候选者。在那些新伙伴中，有几个是电中性的——光微子、Z 微子和两个希格斯微子——而量子力学允许它们混合成掺杂的状态。这些掺杂态里最轻的那一个，就叫做中性微子（neutralino）。
让中性微子成为一个可信的暗物质粒子的，是三种特质的组合。第一，它是中性的，于是无视光——看不见，恰如暗物质必须如此。第二，在许多超对称模型里，最轻的超伙伴是稳定的：一条叫 R 宇称的记账规则禁止它衰变成普通粒子，于是一旦造出就永世长存。第三，它只通过弱相互作用打交道，强度大致与弱相互作用相当。一个沉重、稳定、弱相互作用的粒子有个通用的名字：WIMP，即弱相互作用大质量粒子。中性微子是被研究得最多的那种具体 WIMP，但并非唯一可设想的一种。
现在说真正了不起的部分。在炽热稠密的早期宇宙里，WIMP 会被大量造出来，并成对湮灭回普通粒子。随着宇宙膨胀变冷，WIMP 越来越稀疏，直到它们再也找不到彼此来湮灭——到那一刻，它们的数目就“冻结”了，永远锁定。这种热冻结取决于它们相互作用有多强，而当你代入弱相互作用尺度的强度时，几乎是毫不费力地，就得到差不多正好够充当全部暗物质的残余量。这个可疑地整齐的巧合有个绰号：“WIMP 奇迹”。
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')
艰辛的搜寻——以及诚实的记分牌
如果此刻中性微子正穿过你的房间，你究竟要怎样才能逮住一个？正因为 WIMP 几乎不相互作用，搜寻便沿着三条彼此完全不同的战线同时展开，每一条都利用它可能露出马脚的一种不同方式。
- 造出它。在大型强子对撞机里把质子对撞，可能造出一个中性微子——但它看不见，会神不知鬼不觉地逃出探测器。它留下的名片是“丢失的动量”：可见的碎片彼此不平衡，泄露了有个中性而稳定的东西带着能量飞走了。
- 直接捕捉它。把一桶超纯液体（常用氙）埋到地下一英里深以挡住宇宙线，然后静候来自我们星系的某个路过的 WIMP 撞一下某个原子核，激出一丝微弱的反冲和一缕微光。
- 间接发现它。把望远镜对准暗物质聚集得稠密的地方——银河系中心、矮星系——寻找两个 WIMP 在太空中相遇湮灭时会放出的伽马射线或反物质。
这三种路径——制造、直接、间接——构成了直接与间接探测纲领的核心，它们之间彼此交叉验证得极漂亮。那么这一切努力找到了什么？这就是诚实的记分牌：什么也没有。大型强子对撞机没造出任何超伙伴，也没出现反常的丢失能量超出；吨量级的地下探测器运行了数年，未见任何令人信服的 WIMP 反冲；间接搜寻也没找到干净的湮灭信号。在最自然的 WIMP 质量范围内，这三条战线都一无所获，而限制如今已极其严苛——直接探测实验正在逼近来自普通中微子的本底。
面对一个美丽却没有现身的想法，你该带走什么？不是它已死，也不是它当初愚蠢——而是自然并没有义务像我们所盼的那样整齐。超对称最简单、最自然的版本，如今已被大型强子对撞机强烈地不看好，而经典的 WIMP 窗口也已大体关闭。更重、或藏得更巧妙的超对称也许仍在某处，而暗物质则确凿无疑地真实存在。但这块空白的记分牌，已促使这一领域更认真地对待别的想法——更轻的隐藏部门粒子，尤其是轴子，那是本阶后面一篇指南的主题。这正是诚实的进步该有的样子：一个绝美的假说被检验到几乎山穷水尽，而一个领域谦逊到愿意继续到别处去找。