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粒子物理学的等级问题是对物质的基本描述提出的最大挑战。我们想要知道，物质为什么表现得与我们的预期大不相同。出于量子力学的计算让我们相信，它们应该比决定其质量的弱能标要大很多。我们在表面上最简单的标准模型版本中，对弱能标理解的无能为力是通往完整理论的一块绊脚石。
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可能的情况是，一个更有趣、更精妙的理论包含了这个最简单的模型——于物理学家而言，比起“精细调节”过的理论，这将是一个更加引人入胜的理论。尽管已经有了一系列雄心勃勃的问题追问到底哪个理论解决了等级问题，大型强子对撞机还是很有可能充分地理解它。量子力学与相对论不仅支配了对质量的贡献，还支配了新现象一定会在其上出现的能标。这个能标正是大型强子对撞机将要探测的。
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我们预期，在大型强子对撞机上将要出现一个更有趣的理论。当新的粒子、力或者对称性出场时，有关质量之谜的理论也将呈现出来，这是我们希望大型强子对撞机实验揭开的最大秘密之一。
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这个答案本身非常有趣，然而它也有可能是洞察自然其他方面本质的一把钥匙。对这个问题最有启发性的两个答案包含了时空对称性的推广，或者对空间概念本身的修正。
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本书第17章将进一步告诉我们，空间有可能包含比我们熟知的上-下、左-右、前-后这三个维度更多的维度。特别是，它可能包含完全看不到的维度，而这些维度是理解粒子性质与质量的关键。如果情况确实是那样，那么大型强子对撞机就将以某种形式的粒子为这些维度提供证据，这些粒子被称为卡鲁扎-克莱因（Kaluza-Klein, KK）粒子，它们在高维时空中穿梭。
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不管到底是哪个理论最终解决了等级问题，它都将在弱能标下提供实验可观测的证据。一系列理论逻辑将把在大型强子对撞机上找到的东西与最终解决这些问题的事物联系在一起。它可能是我们预料到的某些东西，也可能不是，但不管怎样，它都将非常精彩。
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探秘暗物质
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除了那些粒子物理学问题之外，大型强子对撞机还有助于阐明宇宙中暗物质的本质。暗物质是参与引力作用，但既不吸收光也不发射光的物质。我们看到的每一件事物——地球、你正坐着的椅子或者是你的长尾小鹦鹉宠物，都是由与光相互作用的标准模型中的粒子构成的。
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我们已经理解的可见的、与光互动的物质以及它们的相互作用，只包含宇宙中占总量4%的能量密度。大约23%的能量由某种叫作“暗物质”的东西携带，它的存在还没有被确认。
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暗物质的确是一种物质。也就是说，它在引力的作用下聚集成团，从而（与正常的物质一起）形成某些结构体，例如星系。然而，与我们熟悉的物质（比如构成我们人类、构成天上星星的物质）不同的是，它既不发射光也不吸收光。因为我们通常通过被发射或者吸收的光来看到事物，所以暗物质不容易被“看到”。
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暗物质
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暗物质是参与引力作用，但既不吸收光也不发射光的物质。它能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。
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事实上，“暗物质”这名字并不恰当——所谓的“暗物质”并不真正是暗的。“暗的”物质吸收光线，当光线被吸收时，我们可以真正看到“暗的”物质。从另一方面来讲，暗物质不以任何可观测的方式与光相互作用。从技术角度说，“暗”物质实际上是透明的。不过我将继续使用人们已经习惯的称谓来描述这种奇异的物质。
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我们通过引力效应得知了暗物质的存在 。但是，如果不能直接看到它，那么我们就不会知道它的性质。它是由大量微小的全同粒子（identical particle）构成的吗？如果是，这些粒子的质量几何？如何进行相互作用？
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也许我们很快就会对暗物质了解更多。引人注目的是，大型强子对撞机也许处在了正确的能标上，它可以产生可能是暗物质的粒子。暗物质的关键准则在于，宇宙应该正好包含了精确数量的暗物质，以形成我们现在所观测到的引力效应。换言之，“残留密度”（relic density），即宇宙模型中预言的、存留到今日的能量储存数值必须与测定值相符。而惊人的事实是，如果你有一个稳定的粒子，其质量符合大型强子对撞机将要探索的弱能标（根据E=mc2 ），其相互作用也涉及那个能标下的粒子，那么它的残留密度应该处于可能成为暗物质的大致范围之内。
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因此，大型强子对撞机不但可以给我们提供一些有关粒子物理学问题的洞见，还可以给我们提供一些今日的宇宙中有什么、一切是如何开始的线索。这些已经成为宇宙科学一部分的问题可以告诉我们宇宙是如何演化的。
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就基本粒子及其相互作用而言，我们理解了惊人的宇宙历史。然而，同样就粒子物理学而言，一些大问题依旧存在。主要问题有：
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●暗物质是什么？
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●神秘的“暗能量”（dark energy）又是什么？
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●是什么导致了早期宇宙的体积在一段时期之内以“宇宙暴胀”（cosmological inflation）的形式呈指数级增长？
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当下是一个极好的观测时间，它也许可以告诉我们这些问题的答案。暗物质研究是粒子物理学与宇宙学交叉区域最前沿的研究方向。暗物质与普通物质（我们可以由探测器制造的物质）的作用极度微弱，微弱到我们现在还没有找到任何引力效应之外的暗物质存在的证据。
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因此，当前的研究只能期望“天降神迹”，虽然暗物质几乎不可见、几乎不与其他已知物质相互作用，但相互作用的强度还没有弱到完全无法探测 。这种说法并非仅仅是我们的一厢情愿，它建立在计算的基础上。我们在上文中曾经提到过这种计算，它指出：稳定的、相互作用的、与大型强子对撞机将要探索的弱能标相关的粒子，其密度与暗物质相符。我们希望，即便现在还没有确认暗物质的存在，在不远的未来我们也会有很大的机会探测到它。
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但多数宇宙学实验并不在加速器中进行。地球上专门向外部空间探索的实验主要用于确定、增强我们对宇宙学问题可能解决方案的理解。
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例如，天体物理学家们把人造卫星发射到太空中，这样就可以在一个不被地表附近的灰尘以及物理、化学过程遮蔽的环境中观测宇宙。地球上的望远镜与实验在一个科学家们可以更直接控制的环境里给了我们一些额外的洞见。这些在太空与地球进行的实验已经做好准备，以阐释“宇宙为什么会是现在这个样子”这一问题。
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我们希望，这些实验中某个充分强的信号（我们将在第21章中讨论）可以让我们破译暗物质之谜。这些实验可以告诉我们暗物质的本质，并且阐明它的相互作用与质量。与此同时，理论物理学家们正在努力思索所有暗物质的可能模型，以及如何使用所有已知的探测方法以研究暗物质到底是什么。
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