所有物理學中最偉大的思想之一，無論它是否被證明是反映現實的真實思想，都是超對稱性，或簡稱SUSY。基本粒子的標準模型是在20世紀的過程中拼湊起來的，從最初關於光和物量子性質的想法和觀察中發展起來。亞原子粒子的實驗和觀測發現——不僅僅是質子、中子和電子，還有誇克、微中子、μ介子，以及它們的反物質對應物等等——伴隨著量子場論的發展，深刻地改變了我們的存在觀念。
雖然現在已經過去了將近100年，但正電子或電子的反物質對應物並不是首先在實驗中發現的，而是被預測為理論上的必要條件，以防止理論病理學賦予電子無限量的自我能量。正電子的發現證明了這一理論思想的正確性，並開啟了粒子物理學中量子場論的時代。為了避免與標準模型粒子的質素發生類似的病理，一種新型的對稱性可以「保護」它們不被放大到不切實際的大值，而這種對稱性正是SUSY或超對稱性。這就是為什麽盡管缺乏證據證明它的存在，但物理學家很難將這個理論想法拋在腦後。
當我們談論電勢能的概念時，物理老師之間有一個笑話：它就像附近的小販。為什麽？因為第一個是免費的。
這是真的：如果你有一個且只有一個點電荷——一個物體的電荷不是分布在三維空間中，而是局限於一個點——你可以把它從無限遠的距離帶到你選擇的任何位置，而且它不會花費你任何能量。然而，一旦你放下了電荷，如果你想把 第二個 電荷帶進去，無論它是否是一個點，無論它是否與第一個電荷相同（正或負），無論它來自有限的距離還是無限遠的距離，等等，它必須經歷第一次電荷產生的電場並做對它的工作。換句話說，雖然第一次充電是免費的，但第二次充電（以及所有後續充電）會消耗能量。
如果你假設電子不是一個點粒子，而是一個球狀粒子，其電荷分布在整個粒子中，你可以計算出如果電子電荷的能量（ E ）負責電子的質素（ m ）來自愛因斯坦最著名的方程式： E = mc ² 。如果你要執行這個計算，你會發現電子的半徑約為 2.9 飛米，比質子的實際大小大三倍多。顯然，這與現實不符，因為現代大型強子對撞機已經將電子的大小限制在比這個值小10,000倍以上。
如果我們從這個經典的現實圖景轉向量子圖景，其中電子既是點狀粒子（當它們被觀察到相互作用時），也是波狀概率雲分布（當它們只是在空間中傳播時），我們必須接受不僅像電子這樣的粒子在本質上是量子的，而且它們產生的場——電場和磁場， 例如，也必須是量子的，並且還必須同時遵守相對論定律。第一次嘗試寫下將粒子和場都視為量子和相對論的方程式是 1926 年推導的基利因-哥頓方程式，但同樣使粒子自旋正確的方程式是狄拉克方程式，該方程式在兩年後的 1928 年出現。
狄拉克方程式的問題，就像描述電子一樣簡單明了，在於存在理論在數學上允許的負能量解。這意味著，從理論上講，電子沒有「最低能量狀態」，它可以不斷過渡到越來越多的負狀態，每一步都會發射能量。在一次信仰的飛躍中，狄拉克假設存在某種「反電子」粒子來填充這些負能量狀態：狄拉克最初稱之為「電洞」的粒子，它將具有正電荷而不是負電荷。一舉，正電子誕生了。四年後的1932年，卡爾·安德森（Carl Anderson）探測到了正電子，證實了它的存在。
但現在，我們不得不重新審視電子自能的概念。請記住，傳統上，你會期望電子的大小是有限的;如果它更小，那麽它的全部電荷必須被壓縮成一個更小的體積，這意味著更大的自我能量和質素太大而無法與觀察到的一致。然而，從量子力學上講，電子必須是點狀的：電荷集中在一個位置，而其他任何地方都為零。這意味著電子的總靜電能量發散：當我們將電子的半徑降至零時，它會變為無窮大。
此外，由於電子具有固有的角動量（或自旋），它們也會產生磁場。因為在電磁學中，總能量是電能和磁能的總和，這意味著以磁能的形式對靜電能有額外的貢獻。最後，如果電磁場是真實的（和量子的），那麽自由空間中也存在場漲落：即使沒有電子存在。這也發散了，而且它比其他形式的能量（靜電和磁性）的發散更嚴重。理解電子的質素似乎比以往任何時候都更遙遠。
然而，狄拉克對他不需要的負能量狀態施加的同樣的「修復」——存在一種與電子相反的反物質：正電子——將有助於「篩選」電子免受這些不需要的自我能量分歧的影響。在量子物理學的背景下，我們中的許多人認為空虛空間的真空並不是完全空的，而是充滿了虛擬量子態：其波動類似於粒子-反粒子對，它們短暫地出現和消失。
在某些條件下，這可能是觀察完全空曠空間的好方法，但如果你談論的是像電子這樣的粒子附近的空間，電子和正電子會以不同的方式對電子的存在做出反應：它們會變得極化，正電荷優先出現在離電子「更近」的地方，負電荷優先出現在離電子「更遠」的地方。就像電荷周圍的介質在經典電磁學中變得極化一樣，量子真空本身在量子場論中也會變得極化。
這些極化環境有效地「遮蔽」了電子免受這種分歧的影響，使其質素保持有限和小，沒有病態。正電子作為電子的相等和相反的對應物，保護其低質素並防止其自能爆炸到過大的值。
透過向宇宙中添加反物質——透過註意到物質的每個量子粒子在理論上都有一個質素相等但電荷相反的量子對應物：反物質——物理學家能夠消除電子自能的病理學，使他們能夠對物質進行連貫的描述，使電子具有相對較小的觀測質素。
然而，快進到現在，我們對基本粒子的質素也有類似的謎題。在現代物理學（即根據標準模型的物理學）中，粒子獲得靜止質素的方式是透過希格斯機制。希格斯對稱性的破壞產生了戈德斯通玻色子，這些玻色子混合（或被「吃掉」）電弱玻色子：賦予W和Z玻色子質素，產生無質素光子，結果產生單個大質素希格斯玻色子。
然而，希格斯場也耦合到所有有質素的粒子：誇克、輕子，甚至是希格斯玻色子本身的自耦合。如果我們問一個簡單的問題：「我們的理論預測這些標準模型粒子的質素是多少？」我們得到的答案是令人震驚的：普朗克質素附近，或者大約~1022每個MeV。然而，我們已經測量了標準模型粒子的質素，質素最低的是微中子（可能是百萬分之一MeV，或更少），電子大約是半MeV，而質素最高的是W和Z玻色子，希格斯玻色子和頂誇克，大約~100,000 MeV。
是什麽解釋了這種巨大的差異？為什麽測量到的基本粒子的質素比我們天真的期望要低得多？
這個謎題在物理學中通常被稱為層次問題：觀察到的事實是，基本粒子的其余質素都在一個相對狹窄的範圍內，遠低於普朗克質素的值。如果所有具有質素的標準模型粒子都與希格斯粒子耦合，並且希格斯粒子具有自耦合（即它耦合自身），那麽為什麽所有粒子的質素，包括希格斯玻色子本身，都如此低，而不是「爆炸」到一些大的、類似普朗克質素的值？
這個問題尚未解決已經不是什麽秘密了。但正是一舉解決這個問題的承諾使超對稱性（或SUSY）如此有吸重力。正如幾代人以前，正電子的提議將我們從電子的病態自我能量（以及太大的質素）中拯救出來一樣，一種新的對稱性（SUSY）的提議可以使我們免於希格斯玻色子和所有標準模型粒子的病態大質素的想法。正如正電子的貢獻，可視覺化為空間真空中的波動（以及虛擬電子），可以「抵消」電子自能的病理部份，假設的SUSY夥伴粒子可以抵消標準模型粒子對希格斯質素的病理貢獻。
例如，在上圖中，您可以看到上環圖中對希格斯玻色子質素的頂誇克校正。希格斯玻色子和頂誇克都是重粒子，所以這個虛擬過程應該有助於增加希格斯玻色子的質素。更糟糕的是：你允許你的圖有的粒子越多，環越多，希格斯粒子的預期質素就越大。僅在標準模型中，這確實是一種病態。
但現在考慮一下：如果任何一個標準模型粒子對希格斯玻色子質素（或對任何質素）所做的每一個貢獻，都有一個相等和相反的貢獻抵消了這種貢獻呢？這就是SUSY背後的大想法：對於每個正常粒子，都有一個超對稱夥伴粒子，一個具有相同的電荷、顏色電荷、弱等自旋和弱超電荷的粒子，但其自旋與標準模型對應物不同，這意味著對於每個標準模型費米子，都有一個超對稱玻色子，對於每個標準模型玻色子， 有一個超對稱費米子對應物。
只要這些SUSY夥伴的質素足夠低，並且在正確的質素範圍內，這種超對稱的新成分就可以有效地「抵消」標準模型的病理，保護這些粒子的質素，就像正電子的存在保護電子免受病理上較大的自能量一樣。例如，頂誇克的貢獻可以從稱為 停止 的超對稱夥伴粒子中抵消，這將是一個稱為 誇克 的類似玻色子的SUSY粒子：頂誇克的SUSY夥伴。類似地，希格斯玻色子的自耦合將被它的SUSY夥伴抵消：一種被稱為希格斯諾的類似費米子的SUSY粒子。
這仍然令人信服，原因很簡單：所有其他解決理論物理學中層次問題的嘗試都比這個受SUSY啟發的解決方案失敗得更慘。然而，大型強子對撞機未能找到任何SUSY夥伴粒子的一絲證據——整個層次問題解決質素範圍已經被探測過——這意味著我們可能被迫尋找更復雜的層次問題解決方案。雖然許多人認為這個問題可能根本沒有解決方案，因為這些質素可能在沒有任何潛在物理解釋的情況下來到我們身邊，但科學的目標是解釋宇宙的性質，大多數物理學家還不願意放棄這一點。
正是由於它在解決層次問題方面的能力，SUSY仍然受到物理學家的極大興趣。它導致了潛在的暗物質候選者（如果你強加R奇偶對稱性，而最輕的超對稱粒子確實是無電荷的）這一事實很好，但並不是一個令人信服的動機，因為理論上有數百種已知的方法可以產生暗物質體子。SUSY粒子的加入支持耦合常數在假設的大統一尺度附近統一，這一事實也很好，但不一定反映自然，也不一定是追求這一理論的充分動機。
傳統上，這三點代表了懷疑SUSY對我們的宇宙很重要的潛在動力，但只有等級問題才真正令人信服，以消除否則必須考慮的病理學。在大型強子對撞機上沒有觀測到的超級夥伴粒子，一直到幾TeV的能量（比最重的標準模型粒子大幾十倍），這表明即使SUSY存在於更高的能量尺度上，它也可能無法解決層次問題。
粒子物理學家遲遲沒有放棄SUSY的想法，主要是因為沒有更好的選擇。但是，由於沒有證據表明這些粒子存在於該理論最初提出的相關能量下，理論家可能真的是時候繼續前進了。正如費曼曾經如此尖銳地指出的那樣，「不管你的理論多麽美麗，無論你多麽聰明。如果它與實驗不一致，那就錯了。
