Pour quelle raison la gravité est-elle beaucoup moins puissante que les autres forces fondamentales ? Un petit aimant, comme ceux que l'on met sur les réfrigérateurs, suffit à créer une force électromagnétique plus importante que la gravité exercée par la Terre. L'une des explications possibles pourrait être que nous ne ressentons pas tout l’effet de la gravité parce qu’une partie de cette force se répand dans des dimensions supplémentaires. Cela semble relever de la science-fiction mais, si des dimensions supplémentaires existent, elles pourraient expliquer pourquoi l'expansion de l'Univers est plus rapide que ce que l'on attendrait, ou pourquoi la gravité est plus faible que les autres forces de la nature.

Une question d’échelle

Dans notre vie quotidienne, nous faisons l'expérience de trois dimensions spatiales, ainsi que d'une quatrième dimension, le temps. Comment pourrait-il y en avoir plus ? La théorie de la relativité générale d'Einstein nous apprend que l'espace peut se dilater, se contracter et se courber. Si une dimension était contractée au point que sa taille soit plus petite que celle d'un atome, elle serait alors invisible pour nous. Mais si nous pouvions l'observer à une échelle suffisamment petite, cette dimension cachée pourrait redevenir visible. Imaginez une personne qui marche sur un fil. Elle peut aller uniquement en avant ou en arrière, mais pas à gauche ou à droite, ni en haut ou en bas ; cette personne ne voit donc qu'une dimension. Dans la même situation, des fourmis, qui vivent à une échelle beaucoup plus petite, pourraient quant à elles se déplacer autour du câble ; cela apparaîtrait comme une dimension supplémentaire pour le funambule.

Mais comment chercher ces dimensions supplémentaires ? L’une des possibilités serait de trouver des traces de particules qui ne peuvent exister que s'il y a réellement des dimensions supplémentaires. Les théories qui supposent l'existence de dimensions supplémentaires prédisent que, tout comme les atomes ont un état fondamental à basse énergie et des états excités à haute énergie, les particules standard auraient des versions plus lourdes dans d’autres dimensions. Ces versions plus lourdes des particules – appelées états de Kaluza-Klein – auraient exactement les mêmes propriétés que les particules standard (et elles seraient donc visibles pour nos détecteurs), mais une masse plus importante. Si CMS ou ATLAS devaient observer des particules semblables au Z ou au W (les bosons Z et W étant des porteurs de la force électrofaibles) ayant une masse par exemple 100 fois plus grande, cela pourrait indiquer la présence de dimensions supplémentaires. Ces particules lourdes peuvent être révélées uniquement à des énergies élevées, comme celles atteintes par le Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Un petit morceau de gravité ?

Certains théoriciens suggèrent qu'une particule appelée « graviton » est associée à la gravité, de la même manière que le photon est associé à la force électromagnétique. Si les gravitons existent, il devrait être possible d'en créer dans le LHC, mais ils disparaîtraient rapidement dans des dimensions supplémentaires. Les collisions dans les accélérateurs de particules créent toujours des événements équilibrés, avec des particules qui s'éparpillent dans toutes les directions, comme des feux d'artifice. Un graviton pourrait s'échapper du détecteur ; il laisserait alors une zone vide que nous percevrions comme un déséquilibre dans l'impulsion et l'énergie de l'événement. Nous devrions alors étudier soigneusement les propriétés de l'objet manquant afin de déterminer s'il s'agit d'un graviton qui s'est échappé dans une dimension supplémentaire ou d'autre chose. Cette méthode consistant à rechercher l'énergie manquante dans les événements est également utilisée pour traquer la matière noire ou des particules supersymétriques.

Les trous noirs microscopiques

Il pourrait y avoir une autre manière de révéler des dimensions supplémentaires, qui consisterait à produire des « trous noirs microscopiques ». La nature exacte de ce que nous détecterions dépendrait du nombre de dimensions supplémentaires, de leur taille, de la masse du trou noir et de l'énergie à laquelle il serait créé. Si des trous noirs microscopiques devaient apparaître dans les collisions créées par le LHC, ils se désintégreraient rapidement, en une durée allant de 10 à 27 secondes. Leur désintégration, qui produirait des particules du Modèle standard ou des particules supersymétriques, se traduirait par des événements laissant un nombre de traces exceptionnel dans nos détecteurs, que nous pourrions donc facilement repérer. Si nous parvenons à en apprendre plus sur l'un ou l'autre de ces sujets, cela ouvrirait la voie à des perspectives pour l'instant encore inconnues.