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18 Chapitre 1. Contexte scientifique et expériences
TA Auger HiRes
γ ankle −2.68 ± 0.04 −2.68 ± 0.01 −2.81 ± 0.03
log(E ankle /1 eV) 18.69 ± 0.03 18.61 ± 0.01 18.65 ± 0.05
log(E GZK /1 eV) 19.68 ± 0.09 19.41 ± 0.02 19.75 ± 0.04
Table 1.1 – Paramétrisation de la forme du spectre à ultra-haute énergie par TA, Auger et HiRes.
constater que les 3 expériences sont en bon accord pour rendre compte de la forme du
spectre aux énergies les plus hautes.
Nature du primaire
tel-00814988, version 1 - 18 Apr 2013
Nous avons vu que la nature du primaire était un facteur clé de la compréhension
des sources et des mécanismes accélérant les rayons cosmiques. La méthode de détection
la plus contraignante sur la nature du primaire est la technique de fluorescence.
Un télescope de fluorescence collecte la lumière UV émise par les molécules de N 2
de l’atmosphère. Ces molécules sont excitées par le passage des particules secondaires
chargées de la gerbe et se désexcitent de manière isotrope, ce qui permet de voir les
gerbes en fluorescence à relativement grande distance. Sans entrer dans le détail de la
technique de fluorescence (je donne tout de même quelques informations lors de la description
d’Auger dans la section 1.3.1, page 37), le profil longitudinal de la gerbe dépend
fortement de la nature du primaire. Le profil est la courbe qui donne le nombre de particules
dans la gerbe (ou la quantité d’énergie déposée dans l’atmosphère) en fonction
de la profondeur atmosphérique traversée. En général, on ne parle pas de profondeur
en terme de distance mais en terme de quantité de matière traversée, ce qui permet de
discuter du profil sans avoir à préciser l’inclinaison de la gerbe. La profondeur X s’exprime
en g.cm −2 , qui provient de la prise en compte le long du parcours de la masse
volumique de l’air ρ(z) à chaque étape de développement de la gerbe. À titre d’illustration,
la Fig. 1.10 montre des simulations de profils obtenus pour des gerbes initiées
par des protons (Fig. 1.10(a)) et des noyaux de fer (Fig. 1.10(b)). Un événement détecté
par l’instrument de fluorescence d’Auger est représenté par les points noirs. Le point
du maximum de développement d’une gerbe, X max correspond à une certaine épaisseur
d’atmosphère traversée. On peut calculer X max connaissant la nature du primaire et son
point de première interaction X 1 :
X max = X 1 + X 0
(
a + b ln 1012 E/81 MeV
A
où E est l’énergie du primaire exprimée en EeV, A le nombre de nucléons contenus
dans le primaire, a = 1.7, b = 0.76, X 0 = 36.2 g.cm −2 . X 0 est la longueur de radiation
dans l’air. Il faut retenir ici que X max varie en ln(E/A). D’après cette formule, on voit
que l’incertitude sur le X max provient exclusivement de celle sur la valeur du point
de première interaction X 1 . On obtient X 1 à partir de la valeur de la section efficace
noyau/air σ M à une énergie E (paramétrisation des estimations de QGSJET, obtenue par
Vincent Marin [18]) :
[ ] ]
σ M (A, E) =A 3/2 α 3/2 log E + β 3/2 log 2 E + γ 3/2 + A
[α 1 log E + β 1 log 2 E + γ 1 +
[ ] ]
A 1/2 α 1/2 log E + β 1/2 log 2 E + γ 1/2 +
[α 0 log E + β 0 log 2 E + γ 0 mb
)
,