在第5章中，我简要地罗列了已知的基本粒子：光子，引力子，电子，夸克（六种！），胶子，中微子和几种其他粒子。对这个列表进行解释并不改变这样一个明显的事实，即确实有很多不同的粒子，每一种都有特殊的性质和相互作用。一长串对象的罗列呼吁一个统一的理论，在这个理论中有更少的粒子同时还有更深层次的解释力。通过原子理论，化学元素周期表就获得了这种统一的处理。氦，氩，钾和铜在化学反应中是完全不同的。但原子理论告诉我们它们都由电子和原子核组成，电子处于在原子核附近振动的不同量子力学态，而原子核都由质子和中子组成。利用弦论，这一长串基本粒子可能会得到一个统一的处理。在弦论中也会有一长串对象的列表——D-膜，孤子5-膜，M-膜，等等——没人知道它们如何或是否能够在超越弦对偶的层次上统一起来。
迄今发现的最重的粒子是顶夸克。它的质量是质子质量的大约182倍。它发现于1995年，是万亿电子伏特加速器，美国首要粒子加速器上的实验成果。质子和反质子在周长大约6.3千米的大环上旋转，然后猛撞在一起发生头对头的碰撞。碰撞发生的时候，它们每一个具有的能量都相当于静质量的1 000倍。在这种碰撞下能产生顶夸克并不奇怪：能量是足够的。实际上，碰撞的能量足够产生一个是顶夸克质量十倍的粒子：1 000+1 000=2 000，就是2 000个质子的质量。不幸的是，这些能量不可能都给单独的一个粒子。因为质子和反质子都有结构。它们中的每一个都包含三个夸克和一些胶子。当质子和反质子发生碰撞时，大部分夸克和胶子都错失了碰撞对象，或仅仅经历了擦边碰撞。现在来考虑一种有趣的情况，质子中的一个夸克或胶子猛烈地撞击在反质子中的一个夸克或胶子上。这样的一个猛烈撞击——更常规的叫法是“硬过程”——就是万亿电子伏特加速器产生顶夸克的过程。硬过程也应该可以产生希格斯玻色子，如果它们存在的话。因为硬过程只分别和质子及反质子中的一个夸克或胶子有关，能够产生顶夸克的能量仅是碰撞总能量中的一部分。
大型强子对撞机能够使质子对以质子质量的大约15 000倍碰撞。硬过程可以获得的能量大约是这个数值的十分之一——有时多些，有时少些。大致来说，大型强子对撞机可以产生大量静质量是1 000倍质子质量的粒子。也可以产生更重的粒子，也许能到2 000倍质子质量。
但粒子质量越重，有足够能量产生这样粒子的硬过程就越稀少。
通过大型强子对撞机我们期望能发现什么样的粒子呢？在写的时候，诚实的回答是这样的：我们不确定，但最好能发现些什么。我的意思不是说如果大型强子对撞机什么都没发现，那么它就是个巨大的浪费——尽管显然是这样的。我的意思是有很好的来自独立于超对称或弦论的理由，表明存在一些东西隐藏在大型强子对撞机将要探索的能量范围内。它可能就是希格斯玻色子。最有可能的，它是希格斯玻色子和一些其他粒子。如果我们足够幸运的话，它将是超对称。道理是这样的，根据重整化那里会有些什么东西。在第4章中我给出了一个关于重整化的简短、定性的介绍，但要提醒你，是某种数学机制使我们能够跟踪电子周围的虚粒子云，或事实上任何粒子。这个机制有效的话就意味着在大型强子对撞机将要探索的区域里存在着一个类似希格斯玻色子的东西。如果要让它顺利地工作，除了希格斯子还必须存在类似超对称的东西。但不要忘记我们的数学机制并不是世界本身。我们也可能犯错。在大型强子对撞机里也可能发现一些我们没有设想过的东西。那将是所有可能性中最让人兴奋的一种。或者——尽管我们的期望都有很好的理由——但我们就是什么都没看见。
图7.2 大型强子对撞机中的一次质子——质子碰撞可能会按如图方式产生一个希格斯玻色子。在我画的这个过程里，希格斯粒子立刻衰变为一个底夸克和一个反底夸克，这是可以被探测到的。但“垃圾粒子”会对到底发生了什么造成干扰。
让我们回到超对称，大家喜欢用它来描述大型强子对撞机的物理学。正如我在前面解释过的，超对称的一个惊人预言是对我们已知的每一个粒子，都有一个新的与它质量、电荷完全相同，相互作用强度大体相同，但自旋不同的粒子与它对应。我们知道有电子。超对称就预言了有超电子（或简写为“selectron”）。我们知道有光子，超对称就预言了有超光子（一般也写成“photino”）。类似的，超对称还预言了超夸克、超胶子（也称胶微子）、超中微子，以及超引力子（也称引力微子）。甚至希格斯粒子也会有它的一个超对称粒子，一般称为超希格斯子（也称希格斯微子，常常也写作shiggs）。我前面还解释过，超对称并不严格正确：比如，我们知道并不存在一个和电子具有相同质量的超电子。近似的或“破缺的”超对称仍然预言会存在超电子、超光子、超中微子和所有其他的超粒子。但它们的质量会比我们迄今已经发现的粒子明显大些。让我们来做一个合理的假设，假设这些超粒子中的大部分或全部都在大型强子对撞机的能量范围以内。如果这是真的话，大型强子对撞机将成为有史以来最多产的发现机器，它将并不仅仅是发现几个新的基本粒子，而是十几个甚至更多。
一个需要与已知所有东西数量一样多新粒子的对称性看起来更像是一个退步而非进步。毕竟，难道我们不是通过用更少的要素达到一个更具解释力的统一图景的吗？这正是我第一次学习超对称时对它的感觉。但这里有一个值得回味的比较。电子的方程，发现于1920年代，它导致了一个非常出乎意料的预言：存在反电子，常常也叫正电子。很快，物理学家们就预言对几乎已知的每一种粒子都存在反粒子。并且他们真的发现了它们！对我而言，超对称没有同样的必然的光环。我们不一定要按照描述电子的方程那样去描述我们确实知道的粒子。但把先见之明与后见之明比较也许并不公平。
一个粒子的质量正好处于大型强子对撞机能量的区域是一回事，真正发现它是另外一回事。这是因为在碰撞产生的垃圾中进行梳理是很困难的，而要重建发生了什么就更加困难了。实际上万亿电子伏特加速器很可能几年来一直在产生希格斯玻色子，但通过实验数据重建它们太难了，以至于我们一直没能发现它们。实际上，物理学家一般认为希格斯玻色子的质量范围是不超过150倍质子的质量：比顶夸克还要轻！事实上在大型强子对撞机上超粒子可能比希格斯粒子要更容易被发现。特别是超胶子，如果它的质量处于容易被探测到的范围，它会产生很多。同样重要的是，很多超对称的理论都预言它们将经历一个壮观的衰变链条，相对而言从这里拣选数据应该比较容易。在这个链式衰变中，超胶子会把它的一部分静能量转变为一个其他种类的超粒子。然后这个新的超粒子会把它的一部分静能量以相同的方式变为另一个超粒子。几个这样的步骤后，我们会得到一个最轻的超粒子。这个最轻的超粒子常常被简写为LSP。一般认为最轻的超粒子是没法再继续衰变的，但它将逃逸掉而不会被探测到。如果这是对的，大型强子对撞机的探测器探测到的将不是超粒子，而是它们在衰变到最轻的超粒子的过程中发出的那些粒子。
图7.3 超夸克会衰变为几个被探测到的粒子和一个最轻的超粒子，最终最轻的超粒子会逃逸掉而没有被探测到。
在我们继续讨论最轻的超粒子之前，我将指出关于大型强子对撞机的一个不幸的事实：即使它发现了那些看起来很像超粒子的东西，我们也很难确认它们是否就是超对称的确切证据。这主要是因为质子和质子的碰撞很混乱。有很多粒子产生。我们知道夸克和胶子间的相互作用很强以至于它们能遮蔽新现象，而且很难确定新发现粒子的自旋。因为以上这些原因，物理学家们已经开始呼吁为大型强子对撞机建一个伙伴加速器，即国际线性加速器（International Linear Collider），或称为ILC。它将使电子和正电子发生对撞。这样的对撞会提供一个更干净的实验环境。它将可能比使用大型强子对撞机更清晰地分辨出超对称及其替代理论。但国际线性加速器现在还仅仅是个提议。超导超级对撞机的黑暗命运表明要想把这样的提议变为现实有多难。
让我们再回到超对称。如果存在最轻的超粒子，那将是所有发现中最重要的了，因为它可能就是把星系拉在一起的暗物质。几十年来，宇宙学家和天文学家一直在猜测星系的总质量。他们可以（至少是粗略地）数星系中恒星的数目。通过这种计算，他们可以估计星系中到底存在多少普通物质。所谓普通物质，我主要指的是质子和中子，因为质量主要就是由它们携带的。问题是星系中普通物质的质量似乎从来都不足以把它们以它们现有的方式拉在一起。这样就有了“暗物质”假设：在星系里有我们看不见的额外的东西，它们主要负责把星系们拉在一起。基于多种观测，很多或大部分宇宙学家相信在宇宙中暗物质是普通物质的五到六倍。但它是什么呢？有几种提议浮在水面上，从燃烧完的恒星到亚原子粒子。认为暗物质就是最轻的超粒子有两个好处。第一，在很多最接近实际的超对称理论中，它们非常重（比质子质量重100多倍），不带电，并且是稳定的——意味着它们从不衰变为其他粒子。第二，不难理解它们是如何由早期宇宙产生的并估算出大致正确的丰度——这意味着它们在今天的总质量相当于普通物质的五到六倍。
总之，超对称是一个美妙的理论框架。它很好地建立在一种奇特的数学基础之上。它与包括重整化在内的已经建立起的粒子理论漂亮地兼容，而且它还预测了很多我们有望在大型强子对撞机中看到的新粒子。最后，超对称和弦论深深地关联着，以至于我很难相信会有人认为超对称可能在没有任何形式弦论正确的前提下存在。让我这么说吧：超对称有一点点像弦对偶。它把粒子和超粒子联系起来，就像S-对偶把弦和D-膜联系起来。和弦对偶一样，它让你想要的更多。是否存在一个在所有粒子和超粒子之下的统一图景呢？难道超对称本身不是对存在那样一种基础图景的暗示吗？弦论提供了一个干净的答案，那里超对称从一开始就被建立起来，而且那里所有我们知道的或即将发现的粒子都有一个依照弦动力学和额外维度的或多或少统一的起源。
