所有物理学中最伟大的思想之一，无论它是否被证明是反映现实的真实思想，都是超对称性，或简称SUSY。基本粒子的标准模型是在20世纪的过程中拼凑起来的，从最初关于光和物质的量子性质的想法和观察中发展起来。亚原子粒子的实验和观测发现——不仅仅是质子、中子和电子，还有夸克、中微子、μ介子，以及它们的反物质对应物等等——伴随着量子场论的发展，深刻地改变了我们的存在观念。
虽然现在已经过去了将近100年，但正电子或电子的反物质对应物并不是首先在实验中发现的，而是被预测为理论上的必要条件，以防止理论病理学赋予电子无限量的自我能量。正电子的发现证明了这一理论思想的正确性，并开启了粒子物理学中量子场论的时代。为了避免与标准模型粒子的质量发生类似的病理，一种新型的对称性可以「保护」它们不被放大到不切实际的大值，而这种对称性正是SUSY或超对称性。这就是为什么尽管缺乏证据证明它的存在，但物理学家很难将这个理论想法抛在脑后。
当我们谈论电势能的概念时，物理老师之间有一个笑话：它就像附近的小贩。为什么？因为第一个是免费的。
这是真的：如果你有一个且只有一个点电荷——一个物体的电荷不是分布在三维空间中，而是局限于一个点——你可以把它从无限远的距离带到你选择的任何位置，而且它不会花费你任何能量。然而，一旦你放下了电荷，如果你想把 第二个 电荷带进去，无论它是否是一个点，无论它是否与第一个电荷相同（正或负），无论它来自有限的距离还是无限远的距离，等等，它必须经历第一次电荷产生的电场并做对它的工作。换句话说，虽然第一次充电是免费的，但第二次充电（以及所有后续充电）会消耗能量。
如果你假设电子不是一个点粒子，而是一个球状粒子，其电荷分布在整个粒子中，你可以计算出如果电子电荷的能量（ E ）负责电子的质量（ m ）来自爱因斯坦最著名的方程： E = mc ² 。如果你要执行这个计算，你会发现电子的半径约为 2.9 飞米，比质子的实际大小大三倍多。显然，这与现实不符，因为现代大型强子对撞机已经将电子的大小限制在比这个值小10,000倍以上。
如果我们从这个经典的现实图景转向量子图景，其中电子既是点状粒子（当它们被观察到相互作用时），也是波状概率云分布（当它们只是在空间中传播时），我们必须接受不仅像电子这样的粒子在本质上是量子的，而且它们产生的场——电场和磁场， 例如，也必须是量子的，并且还必须同时遵守相对论定律。第一次尝试写下将粒子和场都视为量子和相对论的方程是 1926 年推导的克莱因-戈登方程，但同样使粒子自旋正确的方程是狄拉克方程，该方程在两年后的 1928 年出现。
狄拉克方程的问题，就像描述电子一样简单明了，在于存在理论在数学上允许的负能量解。这意味着，从理论上讲，电子没有「最低能量状态」，它可以不断过渡到越来越多的负状态，每一步都会发射能量。在一次信仰的飞跃中，狄拉克假设存在某种「反电子」粒子来填充这些负能量状态：狄拉克最初称之为「空穴」的粒子，它将具有正电荷而不是负电荷。一举，正电子诞生了。四年后的1932年，卡尔·安德森（Carl Anderson）探测到了正电子，证实了它的存在。
但现在，我们不得不重新审视电子自能的概念。请记住，传统上，你会期望电子的大小是有限的;如果它更小，那么它的全部电荷必须被压缩成一个更小的体积，这意味着更大的自我能量和质量太大而无法与观察到的一致。然而，从量子力学上讲，电子必须是点状的：电荷集中在一个位置，而其他任何地方都为零。这意味着电子的总静电能量发散：当我们将电子的半径降至零时，它会变为无穷大。
此外，由于电子具有固有的角动量（或自旋），它们也会产生磁场。因为在电磁学中，总能量是电能和磁能的总和，这意味着以磁能的形式对静电能有额外的贡献。最后，如果电磁场是真实的（和量子的），那么自由空间中也存在场涨落：即使没有电子存在。这也发散了，而且它比其他形式的能量（静电和磁性）的发散更严重。理解电子的质量似乎比以往任何时候都更遥远。
然而，狄拉克对他不需要的负能量状态施加的同样的「修复」——存在一种与电子相反的反物质：正电子——将有助于「筛选」电子免受这些不需要的自我能量分歧的影响。在量子物理学的背景下，我们中的许多人认为空虚空间的真空并不是完全空的，而是充满了虚拟量子态：其波动类似于粒子-反粒子对，它们短暂地出现和消失。
在某些条件下，这可能是观察完全空旷空间的好方法，但如果你谈论的是像电子这样的粒子附近的空间，电子和正电子会以不同的方式对电子的存在做出反应：它们会变得极化，正电荷优先出现在离电子「更近」的地方，负电荷优先出现在离电子「更远」的地方。就像电荷周围的介质在经典电磁学中变得极化一样，量子真空本身在量子场论中也会变得极化。
这些极化环境有效地「屏蔽」了电子免受这种分歧的影响，使其质量保持有限和小，没有病态。正电子作为电子的相等和相反的对应物，保护其低质量并防止其自能爆炸到过大的值。
通过向宇宙中添加反物质——通过注意到物质的每个量子粒子在理论上都有一个质量相等但电荷相反的量子对应物：反物质——物理学家能够消除电子自能的病理学，使他们能够对物质进行连贯的描述，使电子具有相对较小的观测质量。
然而，快进到现在，我们对基本粒子的质量也有类似的谜题。在现代物理学（即根据标准模型的物理学）中，粒子获得静止质量的方式是通过希格斯机制。希格斯对称性的破坏产生了戈德斯通玻色子，这些玻色子混合（或被「吃掉」）电弱玻色子：赋予W和Z玻色子质量，产生无质量光子，结果产生单个大质量希格斯玻色子。
然而，希格斯场也耦合到所有有质量的粒子：夸克、轻子，甚至是希格斯玻色子本身的自耦合。如果我们问一个简单的问题：「我们的理论预测这些标准模型粒子的质量是多少？」我们得到的答案是令人震惊的：普朗克质量附近，或者大约~1022每个MeV。然而，我们已经测量了标准模型粒子的质量，质量最低的是中微子（可能是百万分之一MeV，或更少），电子大约是半MeV，而质量最高的是W和Z玻色子，希格斯玻色子和顶夸克，大约~100,000 MeV。
是什么解释了这种巨大的差异？为什么测量到的基本粒子的质量比我们天真的期望要低得多？
这个谜题在物理学中通常被称为层次问题：观察到的事实是，基本粒子的其余质量都在一个相对狭窄的范围内，远低于普朗克质量的值。如果所有具有质量的标准模型粒子都与希格斯粒子耦合，并且希格斯粒子具有自耦合（即它耦合自身），那么为什么所有粒子的质量，包括希格斯玻色子本身，都如此低，而不是「爆炸」到一些大的、类似普朗克质量的值？
这个问题尚未解决已经不是什么秘密了。但正是一举解决这个问题的承诺使超对称性（或SUSY）如此有吸引力。正如几代人以前，正电子的提议将我们从电子的病态自我能量（以及太大的质量）中拯救出来一样，一种新的对称性（SUSY）的提议可以使我们免于希格斯玻色子和所有标准模型粒子的病态大质量的想法。正如正电子的贡献，可可视化为空间真空中的波动（以及虚拟电子），可以「抵消」电子自能的病理部分，假设的SUSY伙伴粒子可以抵消标准模型粒子对希格斯质量的病理贡献。
例如，在上图中，您可以看到上环图中对希格斯玻色子质量的顶夸克校正。希格斯玻色子和顶夸克都是重粒子，所以这个虚拟过程应该有助于增加希格斯玻色子的质量。更糟糕的是：你允许你的图有的粒子越多，环越多，希格斯粒子的预期质量就越大。仅在标准模型中，这确实是一种病态。
但现在考虑一下：如果任何一个标准模型粒子对希格斯玻色子质量（或对任何质量）所做的每一个贡献，都有一个相等和相反的贡献抵消了这种贡献呢？这就是SUSY背后的大想法：对于每个正常粒子，都有一个超对称伙伴粒子，一个具有相同的电荷、颜色电荷、弱等自旋和弱超电荷的粒子，但其自旋与标准模型对应物不同，这意味着对于每个标准模型费米子，都有一个超对称玻色子，对于每个标准模型玻色子， 有一个超对称费米子对应物。
只要这些SUSY伙伴的质量足够低，并且在正确的质量范围内，这种超对称的新成分就可以有效地「抵消」标准模型的病理，保护这些粒子的质量，就像正电子的存在保护电子免受病理上较大的自能量一样。例如，顶夸克的贡献可以从称为 停止 的超对称伙伴粒子中抵消，这将是一个称为 夸克 的类似玻色子的SUSY粒子：顶夸克的SUSY伙伴。类似地，希格斯玻色子的自耦合将被它的SUSY伙伴抵消：一种被称为希格斯诺的类似费米子的SUSY粒子。
这仍然令人信服，原因很简单：所有其他解决理论物理学中层次问题的尝试都比这个受SUSY启发的解决方案失败得更惨。然而，大型强子对撞机未能找到任何SUSY伙伴粒子的一丝证据——整个层次问题解决质量范围已经被探测过——这意味着我们可能被迫寻找更复杂的层次问题解决方案。虽然许多人认为这个问题可能根本没有解决方案，因为这些质量可能在没有任何潜在物理解释的情况下来到我们身边，但科学的目标是解释宇宙的性质，大多数物理学家还不愿意放弃这一点。
正是由于它在解决层次问题方面的能力，SUSY仍然受到物理学家的极大兴趣。它导致了潜在的暗物质候选者（如果你强加R奇偶对称性，而最轻的超对称粒子确实是无电荷的）这一事实很好，但并不是一个令人信服的动机，因为理论上有数百种已知的方法可以产生暗物质粒子。SUSY粒子的加入支持耦合常数在假设的大统一尺度附近统一，这一事实也很好，但不一定反映自然，也不一定是追求这一理论的充分动机。
传统上，这三点代表了怀疑SUSY对我们的宇宙很重要的潜在动力，但只有等级问题才真正令人信服，以消除否则必须考虑的病理学。在大型强子对撞机上没有观测到的超级伙伴粒子，一直到几TeV的能量（比最重的标准模型粒子大几十倍），这表明即使SUSY存在于更高的能量尺度上，它也可能无法解决层次问题。
粒子物理学家迟迟没有放弃SUSY的想法，主要是因为没有更好的选择。但是，由于没有证据表明这些粒子存在于该理论最初提出的相关能量下，理论家可能真的是时候继续前进了。正如费曼曾经如此尖锐地指出的那样，「不管你的理论多么美丽，无论你多么聪明。如果它与实验不一致，那就错了。
