Precise measurement of the absolute fluorescence yield of nitrogen in air.
Consequences on the detection of ultra-high energy cosmic rays.

Mesure Précise du Rendement Absolu de la Fluorescence de
l'Azote dans l'Air.
Conséquences sur la Détection des Rayons Cosmiques d'Ultra-Haute Énergie

Gwenaëlle Lefeuvre (1)

1 APC (UMR_7164) - AstroParticule et Cosmologie

The study of the energy spectrum of ultra-high energy cosmic rays (E > 1020 eV) requires to determine the energy with much more precision than what is currently achieved. The shower of particles created in the atmosphere can be detected either by sampling particle on the ground, or by detecting the fluorescence induced by the excitation of nitrogen by shower electrons. At present, the measurement of the fluorescence is the simplest and the most reliable method, since it does not call upon hadronic physics laws at extreme energies, a field still inaccessible to accelerators. The precise knowledge of the conversion factor between deposited energy and the number of fluorescence photons produced (the yield) is thus essential. Up to now, it has been determined with an accuracy of 15 % only. This main goal of this work is to measure this yield to better than 5 %. To do this, ~1 MeV electrons from a radioactive source excite nitrogen of the air. The accuracy has been reached thanks to the implementation of a new method for the absolute calibration of the photomultipliers detecting the photons, to better than 2 %. The fluorescence yield, measured and normalized to 0.85 MeV, 760 mmHg and 15°C, is
4.23 ± 0.20 photons per meter,
or 20.46 ± 0.98 photons per deposited MeV.
In addition, and for the first time, the absolute fluorescence spectrum of nitrogen excited by a source has been measured with an optical grating spectrometer.

L'étude du spectre en énergie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (E > 1020 eV) impose de déterminer cette dernière avec bien plus de précision que ce qui est réalisé actuellement. La gerbe de particules créée dans l'atmosphère peut être détectée soit par l'échantillonnage au sol des particules, soit par la détection de la fluorescence produite par l'excitation de l'azote par les électrons de la gerbe. La mesure de la fluorescence est, pour le moment, la méthode la plus simple et la plus fiable, car elle ne fait pas appel aux lois de la physique hadronique à des énergies extrêmes, domaine inaccessible aux accélérateurs. La connaissance précise du facteur de conversion entre énergie déposée et nombre de photons de fluorescence émis (le rendement) est donc essentielle. Jusqu'à présent, il n'a été déterminé qu'avec une précision de 15 %. Cette expérience a pour objectif principal la mesure de ce rendement à mieux que 5 %. Pour cela, des électrons (~1 MeV) provenant d'une source radioactive excitent l'azote de l'air. Cette précision a été atteinte par la mise en œuvre d'une méthode de calibration nouvelle de l'efficacité absolue des photomultiplicateurs détectant les photons à mieux que 2 %. Le rendement de la fluorescence, mesuré puis normalisé à 0.85 MeV, 760 mmHg et 15°C, vaut
4.23 ± 0.20 photons par mètre,
soit 20.46 ± 0.98 photons par MeV déposé.
Par ailleurs, et pour la première fois, le spectre de la fluorescence de l'azote excité par une source a été mesuré de façon absolue au moyen d'un spectromètre optique à réseau.

Mots clés: cosmic rays; atmospheric showers; nitrogen; photomultiplier tubes.

Mots clés: rayons cosmiques; gerbes atmosphériques; fluorescence; azote; tubes photomultiplicateurs.; tubes photomultiplicateurs

Domaines: Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]; Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]

Gwenaëlle Lefeuvre. Mesure Précise du Rendement Absolu de la Fluorescence de
l'Azote dans l'Air.
Conséquences sur la Détection des Rayons Cosmiques d'Ultra-Haute Énergie. Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00112125⟩