Identification of the primary cosmic ray

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Abstract
The nature of the primary particle giving rise to an atmospheric shower may be, to some extent, inferred from the observable properties: longitudinal profile (especially position of the maximum of the number of charged particles) or shape at ground level (lateral distribution, curvature and thickness of the shower front, muonic component). Distinguishing different nuclei cannot be performed unambiguously on a single shower, because of the random fluctuations in the first steps of the cascade; however, it is possible to study the composition of the incident flux on a statistical basis: showers from heavier nuclei have a faster development, and contain more muons. The uncertainties on the hadronic interactions at the highest energies limit the reliability of the identification. Other primaries, if they exist, could be easier to distinguish. Photons would give a slower development than protons, especially at highest energies, and a very reduced muonic component; neutrinos would be characterized by deep interactions in the atmosphere, or even within the Earth, giving almost horizontal showers with a large electromagnetic component, clearly different from the muonic tail of showers induced in the upper atmosphere by nuclei. Such ‘exotic’ primaries have not yet been observed. To cite this article: P. Billoir, P. Sommers, C. R. Physique 5 (2004). La nature de la particule primaire qui produit une gerbe atmosphérique peut être, dans une certaine mesure, déduite de ses propriétés observables : profil longitudinal (particulièrement position du maximum du nombre de particules chargées) ou forme au niveau du sol (distribution latérale, courbure et épaisseur du front de gerbe, composante muonique). Il est impossible de distinguer individuellement les différents noyaux, à cause des fluctuations aléatoires dans les premières étapes de la cascade ; toutefois on peut étudier statistiquement la composition du flux incident : les gerbes de noyaux lourds ont un développement plus rapide, et contiennent plus de muons. Les incertitudes sur les interactions hadroniques aux énergies les plus élevées limitent la fiabilité de l'identification. D'autres primaires, s'ils existent, pourraient être plus faciles à distinguer. Des photons donneraient un développement plus lent que les protons, en particulier aux énergies extrêmes, et une composante muonique très réduite ; des neutrinos seraient caractérisés par des interactions profondes dans l'atmosphère, ou même à l'intérieur de la Terre, donnant des gerbes presque horizontales avec une forte composante électromagnétique, clairement différentes des queues muoniques de gerbes induites dans la haute atmosphère par des noyaux. De tels primaires « exotiques » n'ont pas encore été observés. Pour citer cet article : P. Billoir, P. Sommers, C. R. Physique 5 (2004).