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粒子物理学标准模型告诉了我们，应当如何预测那些构成轻粒子的行为，它也可以描述具有相似相互作用的更重的粒子。通过与构成我们身体或者太阳系的粒子所参与的相同的力，那些重粒子与光、原子核相互作用。
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弱相互作用力
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又称弱核力，是由W及Z玻色子的交换（即发射和吸收）所引起的。这种发射最有名的就是β衰变。
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物理学家已经对电子，以及比电子更重而载荷相同的粒子（μ子与τ子）有所了解。我们知道，那些被称作轻子的粒子与被称为中微子（neutrino）的中性粒子（不带电，因此不直接参与电磁相互作用）结对，仅仅通过弱相互作用力实现相互作用。弱相互作用力负责把中子转变为质子的放射性β衰变（和一般意义上的原子核β衰变）以及一些存在于太阳上的核反应过程。所有标准模型涉及的事物都要经历弱相互作用力 。
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我们还了解了在质子与中子中找到的夸克。夸克同时经历弱相互作用力、电磁相互作用力以及强相互作用力。强相互作用力是在质子与中子之内把夸克约束在一起的力，它涉及很多复杂的计算，然而我们却理解它的基本结构。
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夸克、轻子与强相互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用力共同构成标准模型的实质 （图7-1为粒子物理学标准模型简图）。
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图7-1 粒子物理学标准模型中的元素描述了物质的已知基本元素及其相互作用。上夸克与下夸克参与强、弱、电磁相互作用力，载荷轻子参与弱相互作用力与电磁相互作用力，而中微子只参与弱相互作用力。胶子、弱规范玻色子与光子传递这些作用力，希格斯玻色子还没有被找到。
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使用这些材料，物理学家已经成功预测了迄今为止所有粒子物理学实验的结果。我们已经很好地理解了标准模型中的粒子以及它们之间的力如何相互作用。[29] 然而，依旧有一些谜题被遗留了下来。
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这些挑战的主要问题是：如何把引力纳入标准模型中 ？这是一个大型强子对撞机有机会去探索，然而不可能确保解决的大问题。即便从最近在地球上取得成就，以及未来将要处理的下一个谜题的视角来看，大型强子对撞机的能标已足够高；但是想要最终回答有关量子引力的问题，它还是太低。为了回答量子引力的问题，我们必须研究极小的尺度，在那些尺度上，引力效应和量子力学效应将会同时出现——而这个尺度远远超出了大型强子对撞机之所能及。如果我们足够幸运，并且引力确实在定位与质量相关的粒子问题上扮演了重要角色，那么我们将能更好地回答上面这个问题，大型强子对撞机也许能揭示有关引力和空间本身的重要信息。否则，对任何形式的量子引力理论（包括弦理论）的实验验证，都有可能还差得很远。
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然而，在这一点上，引力与其他基本作用力的关联是唯一尚未得到回答的问题。我们理解中的另一个重要空缺，也是大型强子对撞机最终准备解决的问题是：基本粒子如何获得质量 ？这听起来是一个很奇怪的问题（除非你读过我的《弯曲的旅行》一书），因为我们倾向于认为：物体具有质量是天经地义的——这是一个粒子固有的、不可剥夺的性质。
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从某种意义上来讲，这个观点是正确的。质量、电荷与相互作用分别是确定某个粒子的性质之一。粒子总是具有非零能量，然而质量却是一个内蕴性质，它可以取很多包括零值在内的可能值。爱因斯坦的一个主要洞见是：在静止时，粒子质量的数值可以决定它能量的数值。但粒子的质量并不总是取非零值。那些零质量[30] 的粒子，比如光子，从来都不会静止 。
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然而，基本粒子具有非零质量是它们拥有的内蕴性质，也是一个巨大的谜团。并非只有夸克、轻子与弱规范玻色子（传递弱相互作用力的粒子）具有非零质量。实验物理学家测定了它们的质量，然而即便是最简单的物理规律也不允许它们具有质量。如果我们假定粒子确实具有那些质量，那么标准模型的预言将会成立，但我们却不知道它们最初是从哪里来的。显然，最简单的规则不适用，某些更加微妙的事情存在着。
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粒子物理学家相信，非零质量仅仅因为在早期宇宙中，某些事物在希格斯机制的过程中会引人注目地出现。这个机制得名于物理学家彼得·希格斯，他率先发现了质量如何产生。至少6名物理学家提出了相似的观点，所以，也许有时你会听到“恩格勒-布绕特-希格斯-古拉尔尼克-哈根-基博尔机制”这种表述，而我坚持使用“希格斯玻色子”这一名称。[2] 这个理论是一种相变（phase transition，也许与液态水沸腾而变成蒸汽的相变类似），它的发生改变了宇宙的本质。然而在更早的时候，没有质量、乘着光速之辕呼啸的粒子在不久之后——在涉及希格斯场（Higgs field）的相变之后，就具有了质量，而且速度慢了下来。希格斯机制告诉我们，基本粒子如何从缺乏希格斯场的零质量，获得我们实验中测量到的非零质量。
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如果粒子物理学家们是正确的，而且希格斯机制确实在宇宙中运行，那么大型强子对撞机将会揭露出一些泄露宇宙秘密的迹象。在它最简单的成就中，这种迹象是一个粒子——即著名的希格斯玻色子。在更详尽的、希格斯机制参与其中的物理理论中，希格斯玻色子也许会伴随着其他具有相似质量的粒子出现，也有可能完全被其他粒子替代。
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希格斯机制
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物理学家彼得·希格斯和其他几位物理学家共同发现的一种物理机制。这一机制解释了基本粒子获得非零质量的原因。
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除了希格斯机制如何生效之外，我们还希望大型强子对撞机能找到一些有趣的事物。它也许会是希格斯玻色子，也可能是某个更奇异理论的证据，比如“技术色”（technicolor，我们将在稍后讨论它）。或者，它还可能是一些完全无法预料到的事物。如果一切都按计划进行，那么大型强子对撞机上的实验将要辨明，到底是什么让希格斯机制生效的。不管它找到了什么，这个发现都将告诉我们一些有关粒子如何获得其质量的一些有趣的事情。
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粒子物理学标准模型漂亮地运行着，它描述了物质最基本的元素及其相互作用，其预言在很高的精度上被反复验证。希格斯粒子是标准模型中最后一个尚未找到的部分 。[31] 我们现在假定粒子拥有质量。然而当理解了希格斯机制时，我们也会明白质量是如何产生的。我们将在第16章中进一步探讨的希格斯机制，对更令人满意地理解质量而言是很重要的。
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粒子物理学中还有另外一个更大的谜题，大型强子对撞机也许有助于解开它。大型强子对撞机上的实验有可能阐明被称为粒子物理学“等级问题”的答案。希格斯机制专注于为什么基本粒子具有质量的问题，而等级问题关心为什么它们具有的质量是现在这个数值。
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粒子物理学家们不仅相信质量的出现是因为弥漫在宇宙中的“希格斯场”，还相信我们知道在粒子从零质量变为非零质量的过程中出现的能量。这是因为，希格斯机制以某种可预测的方式赋予某些粒子质量，而这种方式只取决于弱相互作用力的强度以及质量转变过程中出现的能量。
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奇怪的是，从根本理论的视角来看，这种能量转变并不真的合理。如果你把量子力学与狭义相对论的结论放在一起，那么你确实能计算出对粒子质量的贡献，但是理论值远远高出实测值。建立在量子力学与狭义相对论基础上的计算告诉我们，如果没有进一步的理论，那么质量远比现在的实测值要大——事实上，要大出1016 倍。只在某些物理学家所谓“精细调节”的一派胡言中，这两个理论才不矛盾。