Une brane est un objet de type membrane de dimension inférieure plongé dans un espace-temps de dimension supérieure, agissant comme une frontière ou un défaut.Une brane, abréviation de membrane, est un objet fondamental de la théorie des cordes et des cadres connexes qui généralise le concept de particule ponctuelle à des dimensions supérieures. Une 0-brane est un point, une 1-brane est une corde, une 2-brane est une membrane, et ainsi de suite. Dans de nombreux modèles, notre univers observable est considéré comme une 3-brane, c'est-à-dire une surface tridimensionnelle plongée dans un espace-temps de dimension supérieure. Les particules et les forces, à l'exception de la gravité, sont confinées sur cette brane, tandis que la gravité peut se propager dans les dimensions supplémentaires. Cette idée offre des explications à la faiblesse apparente de la gravité par rapport aux autres forces, et fournit un cadre pour aborder le problème de hiérarchie en physique des particules.
Le concept de branes est issu de la théorie des cordes dans les années 1980 et 1990, avec des développements clés par Joseph Polchinski, qui a montré en 1995 que les D-branes (sur lesquelles les cordes ouvertes peuvent se terminer) sont essentielles à la théorie. Le scénario du monde-brane a été popularisé par Lisa Randall et Raman Sundrum en 1999.
Dans les scénarios de monde-brane, les champs du modèle standard sont des cordes ouvertes dont les extrémités sont attachées à la brane, de sorte qu'elles ne peuvent pas la quitter. Les interactions gravitationnelles, cependant, sont médiées par des cordes fermées qui peuvent voyager à travers le bulk, c'est-à-dire l'espace de dimension supérieure au-delà de la brane. Cela signifie que la gravité peut « fuir » dans les dimensions supplémentaires, diluant ainsi son intensité sur notre brane. La présence de dimensions supplémentaires pourrait également se manifester par des modifications des lois de la gravitation à petite échelle ou par des signaux dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles, tels que le fond stochastique ou des échos dans les fusions de trous noirs.
Les modèles de branes sont utilisés en cosmologie théorique pour expliquer la faiblesse de la gravité, la nature de la matière noire (par exemple, comme des particules vivant sur d'autres branes), et pour générer des prédictions pour les observatoires d'ondes gravitationnelles et les collisionneurs de particules.
Dans certains modèles de monde-brane, le Big Bang est interprété comme une collision entre deux branes, ce qui aurait pu laisser une empreinte détectable dans le fond diffus cosmologique.
