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图17-2 在超对称理论中，每一种标准模型的粒子都有一个超对称伙伴。该理论的希格斯区超出了标准模型。
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图17-3 在超对称模型中，来自虚的超对称粒子的贡献与来自标准模型粒子的贡献，对于希格斯玻色子的计算严格相消。例如，图中粒子的贡献之和为零。
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量子力学将物质分成两个完全不同的类别——玻色子与费米子。费米子是具有半整数自旋的粒子，而自旋是一个量子数，本质上，它告诉我们粒子在一种类似于旋转的操作中的行为如何。半整数意味着1/2、3/2、5/2，等等。标准模型的夸克与轻子是费米子的一些例子，它们都有1/2自旋。玻色子的例子有：传递相互作用的规范玻色子或者正在找寻的希格斯玻色子，它们具有整数自旋，也就是整数0、1、2，等等。
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费米子与玻色子不仅自旋有别，而且当两个或者更多个同类型的粒子在一起时，它们的行为也完全不同 。例如，有着相同属性的全同费米子永远不能待在同一个位置上。这是泡利不相容原理（Pauli exclusion principle，以物理学家沃尔夫冈·泡利命名）告诉我们的。费米子是元素周期表形成的基本原因这一事实告诉我们，多个电子除非具有不同的量子数，必须占有围绕核子运转的不同轨道。这也是我的椅子没有落向地球中心的原因，因为椅子中的费米子不能同时与地心物质居于同一个位置上。
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泡利不相容原理
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微观粒子运动的基本规律之一。它认为，两个电子或两个任何其他类型的费米子，都不可能占据完全相同的量子态。
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另一方面，玻色子的行为则完全相反。事实上，它们非常可能居于同一个位置上。玻色子可以堆积在彼此上面——有点像鳄鱼趴在彼此上面，这也是为什么诸如玻色凝聚（Bose condensate）一类现象存在的原因，它需要许多粒子堆积在量子力学的同一状态上。激光也依赖于作为玻色子的光子汇聚到一起；强光束是通过许多全同光子一起发射而产生的。
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在超对称模型中，我们认为完全不同的玻色子和费米子可以相互转换，其最后的结果与转换之前的理论给出的结果相同 。每一种粒子都有一种处于相反量子力学类型，但是带有完全相同质量与荷的伙伴粒子。新粒子的命名方法有点让人忍俊不禁，每当我在公众场合谈到这个话题时，总是会引来观众咯咯的笑声。例如，作为费米子的电子与作为玻色子的超电子（selectron）互为超对称伙伴。一个玻色性的光子与一个费米性的光微子（photino）是一对，W规范玻色子与W微子（Wino）也是一对。[70] 新粒子与其在标准模型中的粒子伙伴有相关的相互作用，但是它们的量子力学性质（玻色性、费米性）却相反。
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在超对称理论中，每种玻色子的性质都与它的超对称伙伴费米子的性质相联系，反之亦然 。因为每个粒子都有伙伴并且相互作用是平行的，该理论允许这种奇异的交换费米子和玻色子的对称性。
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虚效应对希格斯粒子的质量产生了神奇的相消，其原因是，超对称将任何玻色子关联到与之相伴的费米子上。特别是，超对称将希格斯玻色子与希格斯费米子——希格斯微子（Higgsino）结成伙伴。即使量子力学的贡献强烈地影响了玻色子的质量，费米子的质量却从来不比其经典质量大多少，也即哪怕添加了量子力学修正，它也跟你在考虑量子修正前所使用的质量一样。
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这里的逻辑很微妙，但没有产生大的修正的原因是，费米子的质量涉及左手和右手粒子，质量项使得它们之间可以相互转换。如果没有经典质量项，并且在没有加入量子力学虚效应时它们不能彼此转换，那么即便考虑了量子力学效应它们也不会彼此转换。如果一个费米子没有初始质量（经典质量），那么它在加入量子力学贡献后仍然没有质量。
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这个论断对玻色子并不适用。例如，希格斯玻色子的自旋为零，因此我们无法说希格斯玻色子的自旋是左手的还是右手的。但是超对称告诉我们：玻色子质量与其超对称伙伴（费米子）一样。因此，如果希格斯微子的质量为零（或者很小），那么其伙伴希格斯玻色子的质量也必须一样，哪怕量子力学的修正被考虑了进来。
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我们不知道这对于等级的稳定性来说是不是一个相当优美的解释，以及是否给出了希格斯质量的巨大修正相抵消的解释。但是如果超对称确实回答了等级问题，那么我们就知道我们可以从大型强子对撞机中期盼些什么。我们就会知道存在什么样的新粒子，因为每一种已知粒子都应该有一个伙伴。最重要的是，我们可以估计新的超对称粒子的质量。
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当然，前提是超对称在自然中是严格保持的，那么我们就能知道所有超对称伙伴的质量，因为它们与其伙伴粒子有着相同的质量。然而，这些超对称伙伴还从未被观测到，这告诉我们即使超对称可以被应用在自然中，它也不是严格的。假设它是严格的，那么我们应该早就发现超电子、超夸克以及所有其他超对称理论预言的超对称粒子了。
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因此，超对称一定是破缺的，意即超对称理论所预言的关系（虽然可能是近似的）是不严格的 。在一个超对称破缺的理论中，每种粒子仍具有超对称伙伴，但是这些超对称伙伴不具有与标准模型中的粒子一样的质量。
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然而，如果超对称破缺得太多，那么它对等级问题就毫无助益，因为世界就会看似完全没有超对称这种对称性。因此超对称必须破缺得刚刚好：我们还没能观测到超对称的迹象，但是希格斯质量又受其保护，而不会因为巨大的量子力学贡献而给出巨大的质量 。
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这告诉我们超对称粒子应该具有弱尺度的质量。比此更轻的话，它们就应该已经被观测到了；比此更重的话，我们就应该指望希格斯质量也更大。我们不知道准确的数值应该是多少，因为我们只知道希格斯质量的近似值。但是如果质量过重，那么等级问题仍将存在。
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我们的结论是：如果超对称在自然中存在并且解释了等级问题，那么许多质量介于几百GeV到几个TeV之间的新粒子应该存在。这恰恰是大型强子对撞机锁定的质量区域的搜索目标 。有着14TeV能量的大型强子对撞机应该能够制造这些粒子，哪怕只有一部分质子的能量可以转变为夸克和胶子进行对撞而产生新粒子。
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大型强子对撞机所能制造的最简单的粒子应该是在强相互作用力中载荷的超对称粒子。当质子（或者更准确地说，它们中的夸克和胶子）对撞时，这些粒子将大量产生。当对撞发生时，参与强相互作用力的新的超对称粒子可以率先产生。如果是这种情况，那么它们将在探测器中留下明显的、标志性的证据。
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这些信号（粒子留下的实验证据）依赖于当它们产生后所发生的事情。绝大多数超对称粒子都会衰变。这是因为一般来说，存在一些较轻的粒子（如标准模型粒子），其荷总和等于一个较重的超对称粒子的荷。那么，在荷守恒的前提下，较重的超对称粒子会衰变成这些较轻标准模型粒子的组合。实验物理学家进而可以探测这些标准模型粒子。
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这可能仍不足以确定超对称。在几乎所有超对称模型中，超对称粒子不单单衰变成标准模型粒子。一个较轻的超对称粒子会存留到衰变结束后，因为超对称粒子总是成对出现或消失。因此，一个超对称粒子必须存留到某个超对称粒子衰变结束之后——一个超对称粒子不可能变成零个超对称粒子。因此，最轻的粒子必须是稳定的。这个最轻的粒子（已经不能再衰变成其他粒子）被物理学家称为最轻的超对称粒子（lightest supersymmetric particle, LSP）。
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从实验的优越角度来看，超对称粒子的衰变是显著的，因为即便当衰变完成时最轻的中性超对称粒子也还存在。宇宙学约束告诉我们最轻的超对称粒子不带荷，因此它不会与任何探测器的元素相互作用。这意味着一旦超对称粒子被制造出来并发生衰变，动量和能量将出现缺少的现象。最轻的超对称粒子将从探测器中消失并带走动量和能量，而不会被记录下来，因此留下能量缺失的信号。能量缺失并不是超对称独有的标志，但因为我们已经知道许多超对称质量谱，所以我们知道我们能或者不能观测到的东西。
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例如，假定某个超夸克（夸克的超对称伙伴）产生了。它可以衰变成何种粒子依赖于何种粒子更轻。一种可能的衰变模型是：超夸克总是衰变成夸克和最轻的超对称粒子（见图17-4）。衰变总是很快发生，探测器记录的仅仅是衰变产物。如果这样一个超夸克发生了衰变，那么探测器将在追踪器中记录到夸克的轨迹，并且在强子量能器中测到由于强相互作用力粒子截停产生的能量沉积。但是实验物理学家还将测得缺少的能量和动量，他们应该能分辨出哪些动量缺失了，就像他们在测量实验产生的中微子一样。他们也会测量出垂直于粒子束方向上的动量，并发现其加合起来不等于零。实验物理学家所面临的一个最大的挑战将是：如何毫不含糊地确认这些缺失的能量。毕竟，任何没有探测到的东西看似丢失了。如果实验过程中出现了一些错误或者测量错误，即便是很小一部分能量没有被探测到，那么缺失的动量也可能加合起来伪装出一个逃离超对称粒子的信号，哪怕实际上实验并没有产生任何奇异的物质。