超對稱（Supersymmetry）理論曾經是超越標準模型的最流行的物理學框架，但是它現在正面臨前所未有的挑戰，雖然許多物理學家尚未放棄它。

粒子物理標準模型（Standard Model）非常成功，但又不完備。 它的預言包含關於宇宙的許多已知特徵，並指引物理學家有了新的發現，例如希格斯玻色子。但是它不能解釋暗物質的存在（暗物質佔宇宙物質的85％），也不能解釋希格斯玻色子的質量。

幾十年來，超對稱理論似乎提供了一種優雅的解決方案。目前自然界已知存在的基本粒子可以分為兩大類：費米子和玻色子。在超對稱理論中，存在一種將費米子和玻色子連線起來的新的數學關係。超對稱性表明費米子和玻色子實際上是同一枚（超對稱）硬幣的兩個側面。在玻色子家族中，每個單個的費米子都有一個類似鏡子的粒子，而在玻色子世界上，每個玻色子都有一個孿生子（參見本文封面）。超對稱性使標準模型中的粒子數量增加了一倍以上。

費米子和玻色子之間對稱的想法起源於1970年代初，旨在解決弦論中的數學問題。1974年，朱利葉斯·韋斯（Julius Wess）和布魯諾·祖米諾（Bruno Zumino）發現，可以透過廣義相對論對稱性使一大類量子場論變為超對稱。不久，研究人員提出了一種理論，其中粒子及其超級夥伴可以具有不同的質量。

在1980年代初期，理論物理學家意識到標準模型本身可以做成超對稱的，並能由此解決一些棘手問題。例如，眾所周知，很難解釋希格斯玻色子的質量為何很小。如果考慮超對稱性，則可以消除所有減除的抵消，減輕希格斯質量。

此外，超對稱還提供了其他優勢。最輕的超對稱粒子將是有希望的暗物質候選者。而且，在極高的能量下，電磁力，弱力和強力的強度將相等，這表明我們今天觀察到的基本力在早期宇宙中是統一的。“這確實是一個非常美麗的理論”，SLAC國家加速器實驗室的理論物理學家Michael Peskin（邁克·佩斯金）說。

最簡單的超對稱理論預言了質量與W和Z玻色子相當的新粒子。這一能標在大型強子對撞機（LHC）觸手可及。因此許多粒子物理學家認為超對稱粒子的發現迫在眉睫。但是在希格斯玻色子的確認之後，……再沒有發現新的基本粒子。

佩斯金說：“當大型強子對撞機的早期沒有發現超對稱粒子時，我感到震驚。” 但並非所有的理論家都為之驚訝。普林斯頓高等研究院的理論家尼瑪·阿卡尼·哈默德（Nima Arkani-Hamed）說：“有很多人大聲說過，在LHC出現之前，超對稱的基本情況就出了問題”。

他說，先前在1989—2000年執行的大型正負電子對撞機（Large Electron-Positron Collider）上的實驗已經對最簡單的超對稱模型產生了懷疑。還有人認為超對稱粒子太重，無法用當前的加速器發現。

隨著來自大型強子對撞機的資料的不斷積累，很大程度上已經排除了最初理論家偏愛的超對稱模型。例如，假定的高達2萬億電子伏特的膠微子已被排除，它比許多理論家所希望的大了一個數量級。在LHC之前的模型中，超對稱似乎不可能包含所有三個特徵（對希格斯質量的解釋，暗物質粒子和力的統一）的可能性越來越小。

大型強子對撞機缺乏超對稱性的證據並不意味著該想法的終結。Peskin說，“我們現在都非常困惑。”

重新評估假設

如果確實存在超對稱性，則有兩種主要可能性：要麼所有超對稱粒子都太重而無法在當前粒子加速器可利用的能量下產生，要麼是超級夥伴在大型強子對撞機的碰撞中產生，但由於某些原因逃過了檢測。

對於後者，“人們正在尋找能夠產生我們過去從未尋找過的新模型，或者實驗上更具挑戰性的模型”，LHC的ATLAS合作組成員Resseguie說。

例如，大多數在大型強子對撞機上搜索新粒子的假設是，它們在被建立後幾乎會立即衰減，因此沒有時間離開相互作用點。但是，一些非常規的超對稱理論預測了長期存在的超對稱粒子。這些粒子在衰減之前會傳播幾微米到幾十萬公里。正在進行的有關ATLAS和CMS實驗的專案試圖尋找長壽命粒子的蹤跡。

圖：在大型強子對撞機是一個巨大的粒子對撞機。它能夠將粒子加速到接近光速，然後將它們粉碎在一起。

ATLAS和CMS的研究人員也正在尋找可以分解為低能標準模型粒子的超級夥伴。這是一個非常具有挑戰性的搜尋，因為在這不能使用大多數其他超對稱搜尋中使用的標準技術。

即使沒有超對稱性，探測器中仍然存在大量低能粒子，因此研究人員必須設計出巧妙的方法，將無關的背景與暗示超對稱性的相互作用區分開。

面對缺乏超對稱性的實驗證據， Arkani-Hamed正在探索有關希格斯玻色子性質的替代解釋。正如質子是由夸克和膠子組成的一樣，Peskin懷疑希格斯玻色子可能具有隱藏的子結構。

搜尋繼續

隨著粒子物理學界的各個部分逐漸擺脫超對稱性，許多實驗家仍然保持樂觀。他們中的許多人正在努力為未來的資料採集工作帶來了全新的可能性和分析策略。

到2020年代後期，升級版LHC（高亮度LHC）將使實驗人員能夠探索超對稱景觀的未知領域。

未來將探索更高能量的對撞機也可能發現超對稱。但是， Arkani-Hamed說：“建立下一個對撞機的原因不是研究超對稱性，而是研究希格斯玻色子的全過程。”

ATLAS舉世矚目

在大型強子對撞機中，有一個探測器叫ATLAS，它是“環形LHC裝置”。由來自世界各地的數百名科學家組成的ATLAS合作組在預印本伺服器arXiv上發表的一篇論文中釋出了他們在尋找超對稱性方面的最新發現。

他們的結果呢？沒有發現。零結果。

經過多年的搜尋和無數次碰撞產生的累積資料負載，沒有任何超對稱粒子的跡象。實際上，現在已經完全排除了許多超對稱模型，而且很少有理論思想仍然有效。

數十年來，超對稱性得到了理論家的廣泛支援。他們經常將其描述為增進我們對宇宙理解的顯而易見的下一步。但自LHC誕生以來，該理論的薄弱局面一直沒有改觀。儘管並未排除所有可能的超對稱模型，該理論的未來岌岌可危。物理學家多年來已經為超對稱性投入了大量的時間和精力，也並沒有太多令人信服的替代方案。

超對稱可能無法解決研究人員最初希望解決的所有問題。但是正如Resseguie表示的：“要麼超對稱就是答案，要麼不是，我們唯一能做的方法就是繼續尋找”。對於中微子，從理論預測到實驗觀察的過程花費了25年。希格斯玻色子花了半個世紀。引力波用了整整100年的時間。

留待時間來證明一切。