Les physiciens soupçonnent depuis des décennies que notre univers ne se limite pas aux trois dimensions de l'espace et à celle du temps, et qu'il pourrait être plongé dans un «monde‑membrane» bien plus vaste. C'est ce que propose la théorie de la cosmologie branaire, défendue par les chercheurs Lisa Randall et Raman Sundrum depuis qu'ils l'ont exposée pour la première fois, en 1999.

Imaginez une pièce qui vous semble parfaitement rectangulaire. Vous marchez vers un mur: soudain, votre tête touche presque le plafond, comme si vous aviez grandi. Vous traversez vers l'autre côté: vous voilà réduit à la taille d'une fourmi. Rien n'a magiquement changé, c'est la géométrie de l'espace qui s'est courbée de manière surprenante et non intuitive. Dans les modèles Randall‑Sundrum, notre univers à trois dimensions serait une sorte de membrane (ou «brane») flottant dans un espace de dimension supérieure, dont la courbure déforme les distances et les échelles sans que nous le percevions directement.​

Raman Sundrum, physicien à l'Université du Maryland, raconte que cette idée est née à la fin des années 1990, en suivant les travaux en théorie des cordes. Dans ce cadre, les particules élémentaires ne seraient pas des points, mais de minuscules cordes vibrantes, et les équations semblent exiger plus de dimensions que les quatre de notre expérience quotidienne.

Un article de Popular Mechanics revient sur cette théorie: «Nous avons envisagé que les particules qui nous composent, nos atomes, soient coincées sur un plan tridimensionnel au sein d'un espace de dimension supérieure» y résume Raman Sundrum. Même les photons de lumière resteraient prisonniers de cette surface, ce qui expliquerait pourquoi nous ne voyons pas le volume supplémentaire de ces autres dimensions.​

Rendez les bosons lourds

L'un des attraits de ce modèle est qu'il offre une piste pour aborder le fameux «problème de hiérarchie»: pourquoi les différentes particules élémentaires, comme les électrons et les quarks, présentent‑elles des masses et des échelles si différentes, alors qu'elles obéissent à des lois communes? Dans un espace courbe de dimension supérieure, les longueurs et les énergies apparentes peuvent varier fortement selon la position dans cette géométrie, un peu comme votre taille change avec l'endroit où vous vous trouvez dans la pièce étrange que nous décrivions plus haut.

Concrètement, la version la plus célèbre de cette idée –le modèle Randall‑Sundrum de 1999– prédit que cette courbure des dimensions supplémentaires se trahirait par l'existence de versions plus lourdes des particules que nous connaissons, qui n'apparaîtraient qu'à très haute énergie. Les grands accélérateurs comme le LHC près de Genève ont justement été utilisés pour tenter de débusquer ces phénomènes, mais aucune trace claire n'a encore été trouvée: ni bosons lourds, ni signatures spectaculaires d'une géométrie extra‑dimensionnelle.​

La théorie Randall‑Sundrum n'est pas exempte de critiques. Des spécialistes de gravitation quantique contestent par exemple la nature précise des dimensions supplémentaires invoquées. Mathématiquement, insiste Raman Sundrum, le cadre reste cohérent; la vraie question est de savoir si «la nature a choisi cette option ou une autre, ou si le problème de hiérarchie doit être complètement reformulé». Toute alternative crédible devra, en tout cas, proposer une explication tout aussi robuste aux écarts de masse entre particules.​

Si cette théorie se révélait juste, la conséquence la plus vertigineuse serait peut‑être la plus simple à formuler: cela signifie tout simplement que nos sens, et même nos instruments de mesure actuels, ne captent qu'une tranche bien maigre de la réalité. Nous vivrions sur une fine membrane, plongée dans un espace plus vaste dont nous ignorons presque tout.