Mass Composition from 3 EeV to 100 EeV using the Depth of the Maximum of Air-Shower Profiles Estimated with Deep Learning using Surface Detector Data of the Pierre Auger Observatory

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Fecha

2024

Autores

Glombitza J.; Abdul Halim A.; Abreu P.; Aglietta M.; Allekotte I.; Almeida Cheminant K.; Almela A.; Aloisio R.; Alvarez-Muñiz J.; Ammerman Yebra J.; Anastasi G.A.; Anchordoqui L.; Andrada B.; Andringa S.; Aramo C.; Araújo Ferreira P.R.; Arnone E.; Arteaga Velázquez J.C.; Asorey H.; Assis P.; Avila G.; Avocone E.; Badescu A.M.; Bakalova A.; Balaceanu A.; Barbato F.; Bartz Mocellin A.; Bellido J.A.; Berat C.; Bertaina M.E.; Bhatta G.; Bianciotto M.; Biermann P.L.; Binet V.; Bismark K.; Bister T.; Biteau J.; Blazek J.; Bleve C.; Blümer J.; Boháčová M.; Boncioli D.; Bonifazi C.; Bonneau Arbeletche L.; Borodai N.; Brack J.; Brichetto Orchera P.G.; Briechle F.L.; Bueno A.; Buitink S.; Buscemi M.; Büsken M.; Bwembya A.; Caballero-Mora K.S.; Cabana-Freire S.; Caccianiga L.; Caracas I.; Caruso R.; Castellina A.; Catalani F.; Cataldi G.; Cazon L.; Cerda M.; Cermenati A.; Chinellato J.A.; Chudoba J.; Chytka L.; Clay R.W.; Cobos Cerutti A.C.; Colalillo R.; Coleman A.; Coluccia M.R.; Conceição R.; Condorelli A.; Consolati G.; Conte M.; Convenga F.; Correia dos Santos D.; Costa P.J.; Covault C.E.; Cristinziani M.; Cruz Sanchez C.S.; Dasso S.; Daumiller K.; Dawson B.R.; de Almeida R.M.; de Jesús J.; de Jong S.J.; de Mello Neto J.R.T.; De Mitri I.; de Oliveira J.; de Oliveira Franco D.; de Palma F.; de Souza V.; De Vito E.; Del Popolo A.; Deligny O.; Denner N.; Deval L.; di Matteo A.; Dobre M.; Dobrigkeit C.; D’Olivo J.C.; Domingues Mendes L.M.; dos Anjos J.C.; dos Anjos R.C.; Ebr J.; Ellwanger F.; Emam M.; Engel R.; Epicoco I.; Erdmann M.; Etchegoyen A.; Evoli C.; Falcke H.; Farmer J.; Farrar G.; Fauth A.C.; Fazzini N.; Feldbusch F.; Fenu F.; Fernandes A.; Fick B.; Figueira J.M.; Filipčič A.; Fitoussi T.; Flaggs B.; Fodran T.; Fujii T.; Fuster A.; Galea C.; Galelli C.; García B.; Gaudu C.; Gemmeke H.; Gesualdi F.; Gherghel-Lascu A.; Ghia P.L.; Giaccari U.; Giammarchi M.; Glombitza J.; Gobbi F.; Gollan F.; Golup G.; Gómez Berisso M.; Gómez Vitale P.F.; Gongora J.P.; González J.M.; González N.; Goos I.; Góra D.; Gorgi A.; Gottowik M.; Grubb T.D.; Guarino F.; Guedes G.P.; Guido E.; Hahn S.; Hamal P.; Hampel M.R.; Hansen P.; Harari D.; Harvey V.M.; Haungs A.; Hebbeker T.; Hojvat C.; Hörandel J.R.; Horvath P.; Hrabovský M.; Huege T.; Insolia A.; Isar P.G.; Janecek P.; Johnsen J.A.; Jurysek J.; Kääpä A.; Kampert K.H.; Keilhauer B.; Khakurdikar A.; Kizakke Covilakam V.V.; Klages H.O.; Kleifges M.; Knapp F.; Kunka N.; Lago B.L.; Langner N.; Leigui de Oliveira M.A.; Lema-Capeans Y.; Lenok V.; Letessier-Selvon A.; Lhenry-Yvon I.; Lo Presti D.; Lopes L.; Lu L.; Luce Q.; Lundquist J.P.; Machado Payeras A.; Majercakova M.; Mandat D.; Manning B.C.; Mantsch P.; Marafico S.; Mariani F.M.; Mariazzi A.G.; Mariş I.C.; Marsella G.; Martello D.; Martinelli S.; Martínez Bravo O.; Martins M.A.; Mastrodicasa M.; Mathes H.J.; Matthews J.; Matthiae G.; Mayotte E.; Mayotte S.; Mazur P.O.; Medina-Tanco G.; Meinert J.; Melo D.; Menshikov A.; Merx C.; Michal S.; Micheletti M.I.; Miramonti L.; Mollerach S.; Montanet F.; Morejon L.; Morello C.; Müller A.L.; Mulrey K.; Mussa R.; Muzio M.; Namasaka W.M.; Negi S.; Nellen L.; Nguyen K.; Nicora G.; Niculescu-Oglinzanu M.; Niechciol M.; Nitz D.; Nosek D.; Novotny V.; Nožka L.; Nucita A.; Núñez L.A.; Oliveira C.; Palatka M.; Pallotta J.; Panja S.; Parente G.; Paulsen T.; Pawlowsky J.; Pech M.; Pekala J.; Pelayo R.; Pereira L.A.S.; Pereira Martins E.E.; Perez Armand J.; Pérez Bertolli C.; Perrone L.; Petrera S.; Petrucci C.; Pierog T.; Pimenta M.; Platino M.; Pont B.; Pothast M.; Pourmohammad Shahvar M.; Privitera P.; Prouza M.; Puyleart A.; Querchfeld S.; Rautenberg J.; Ravignani D.; Reininghaus M.; Ridky J.; Riehn F.; Risse M.; Rizi V.; Rodrigues de Carvalho W.; Rodriguez E.; Rodriguez Rojo J.; Roncoroni M.J.; Rossoni S.; Roth M.; Roulet E.; Rovero A.C.; Ruehl P.; Saftoiu A.; Saharan M.; Salamida F.; Salazar H.; Salina G.; Sanabria Gomez J.D.; Sánchez F.; Santos E.M.; Santos E.; Sarazin F.; Sarmento R.; Sato R.; Savina P.; Schäfer C.M.; Scherini V.; Schieler H.; Schimassek M.; Schimp M.; Schlüter F.; Schmidt D.; Scholten O.; Schoorlemmer H.; Schovánek P.; Schröder F.G.; Schulte J.; Schulz T.; Sciutto S.J.; Scornavacche M.; Segreto A.; Sehgal S.; Shivashankara S.U.; Sigl G.; Silli G.; Sima O.; Simon F.; Smau R.; Šmída R.; Sommers P.; Soriano J.F.; Squartini R.; Stadelmaier M.; Stanca D.; Stanič S.; Stasielak J.; Stassi P.; Strähnz S.; Straub M.; Suárez-Durán M.; Suomijärvi T.; Supanitsky A.D.; Svozilikova Z.; Szadkowski Z.; Tapia A.; Taricco C.; Timmermans C.; Tkachenko O.; Tobiska P.; Todero Peixoto C.J.; Tomé B.; Torrès Z.; Travaini A.; Travnicek P.; Trimarelli C.; Tueros M.; Unger M.; Vaclavek L.; Vacula M.; Valdés Galicia J.F.; Valore L.; Varela E.; Vásquez-Ramírez A.; Veberič D.; Ventura C.; Vergara Quispe I.D.; Verzi V.; Vicha J.; Vink J.; Vlastimil J.; Vorobiov S.; Watanabe C.; Watson A.A.; Weindl A.; Wiencke L.; Wilczyński H.; Wittkowski D.; Wundheiler B.; Yue B.; Yushkov A.; Zapparrata O.; Zas E.; Zavrtanik D.; Zavrtanik M.

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Editor

et al.; Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) Univeristy of Tokyo; International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP); JPS; Nagoya Convention and Visitors Bureau; Nagoya University

Resumen

Descripción

We present a new analysis for estimating the depth of the maximum of air-shower profiles, Xmax, to investigate the evolution of the ultra-high-energy cosmic ray mass composition from 3 to 100 EeV. We use a recently developed deep-learning-based technique for the reconstruction of Xmax from the data of the surface detector of the Pierre Auger Observatory. To avoid systematic uncertainties arising from hadronic interaction models in the simulation of surface detector data, we calibrate the new reconstruction technique with observations of the fluorescence detector. Using the novel analysis, we have a 10-fold increase of statistics at E > 5 EeV with respect to fluorescence detector data. We are able, for the first time, to study the evolution of the mean and standard deviation of the Xmax distributions up to 100 EeV. We find an excellent agreement with fluorescence observations and confirm the increase of the mean logarithmic mass hln(A)i and a decrease of the Xmax fluctuations with energy. The Xmax measurement at the highest — so far inaccessible — energies is consistent with a pure mass composition and a mean logarithmic mass of around ∼ 3 (estimated using the Sibyll 2.3d and the EPOS-LHC hadronic interaction models). Furthermore, with the increase in statistics, we find indications for a structure beyond a constant elongation rate in the evolution of Xmax © Copyright owned by the author(s) under the terms of the Creative Commons.

Palabras clave

Cosmic ray detectors, Cosmic ray measurement, Cosmology, Hadrons, Photons, Air showers, Energy, Fluorescence detector, Hadronic interaction models, Mass composition, Pierre Auger observatory, Reconstruction techniques, Surface detectors, Systematic uncertainties, Ultra high-energy cosmic rays, Cosmic rays

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URI

http://hdl.handle.net/11407/8858

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