Back to Search Start Over

Inference of the Mass Composition of Cosmic Rays with energies from $\mathbf{10^{18.5}}$ to $\mathbf{10^{20}}$ eV using the Pierre Auger Observatory and Deep Learning

Authors :
The Pierre Auger Collaboration
Halim, A. Abdul
Abreu, P.
Aglietta, M.
Allekotte, I.
Cheminant, K. Almeida
Almela, A.
Aloisio, R.
Alvarez-Muñiz, J.
Yebra, J. Ammerman
Anastasi, G. A.
Anchordoqui, L.
Andrada, B.
Dourado, L. Andrade
Andringa, S.
Apollonio, L.
Aramo, C.
Ferreira, P. R. Araújo
Arnone, E.
Velázquez, J. C. Arteaga
Assis, P.
Avila, G.
Avocone, E.
Bakalova, A.
Barbato, F.
Mocellin, A. Bartz
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.
Arbeletche, L. Bonneau
Borodai, N.
Brack, J.
Orchera, P. G. Brichetto
Briechle, F. L.
Bueno, A.
Buitink, S.
Buscemi, M.
Büsken, M.
Bwembya, A.
Caballero-Mora, K. S.
Cabana-Freire, S.
Caccianiga, L.
Campuzano, F.
Caruso, R.
Castellina, A.
Catalani, F.
Cataldi, G.
Cazon, L.
Cerda, M.
Čermáková, B.
Cermenati, A.
Chinellato, J. A.
Chudoba, J.
Chytka, L.
Clay, R. W.
Cerutti, A. C. Cobos
Colalillo, R.
Coluccia, M. R.
Conceição, R.
Condorelli, A.
Consolati, G.
Conte, M.
Convenga, F.
Santos, D. Correia dos
Costa, P. J.
Covault, C. E.
Cristinziani, M.
Sanchez, C. S. Cruz
Dasso, S.
Daumiller, K.
Dawson, B. R.
de Almeida, R. M.
de Errico, B.
de Jesús, J.
de Jong, S. J.
Neto, J. R. T. de Mello
De Mitri, I.
de Oliveira, J.
Franco, D. de Oliveira
de Palma, F.
de Souza, V.
De Vito, E.
Del Popolo, A.
Deligny, O.
Denner, N.
Deval, L.
di Matteo, A.
do, J. A.
Dobre, M.
Dobrigkeit, C.
D'Olivo, J. C.
Mendes, L. M. Domingues
Dorosti, Q.
Anjos, J. C. dos
Anjos, R. C. dos
Ebr, J.
Ellwanger, F.
Emam, M.
Engel, R.
Epicoco, I.
Erdmann, M.
Etchegoyen, A.
Evoli, C.
Falcke, H.
Farrar, G.
Fauth, A. C.
Fehler, T.
Feldbusch, F.
Fenu, F.
Fernandes, A.
Fick, B.
Figueira, J. M.
Filip, P.
Filipčič, A.
Fitoussi, T.
Flaggs, B.
Fodran, T.
Fujii, T.
Fuster, A.
Galea, C.
García, B.
Gaudu, C.
Gherghel-Lascu, A.
Ghia, P. L.
Giaccari, U.
Glombitza, J.
Gobbi, F.
Gollan, F.
Golup, G.
Berisso, M. Gómez
Vitale, P. F. Gómez
Gongora, J. P.
González, J. M.
González, N.
Góra, D.
Gorgi, A.
Gottowik, M.
Guarino, F.
Guedes, G. P.
Guido, E.
Gülzow, L.
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.
Jilek, V.
Johnsen, J. A.
Jurysek, J.
Kampert, K. -H.
Keilhauer, B.
Khakurdikar, A.
Covilakam, V. V. Kizakke
Klages, H. O.
Kleifges, M.
Knapp, F.
Köhler, J.
Krieger, F.
Kunka, N.
Lago, B. L.
Langner, N.
de Oliveira, M. A. Leigui
Lema-Capeans, Y.
Letessier-Selvon, A.
Lhenry-Yvon, I.
Lopes, L.
Lu, L.
Luce, Q.
Lundquist, J. P.
Payeras, A. Machado
Majercakova, M.
Mandat, D.
Manning, B. C.
Mantsch, P.
Mariani, F. M.
Mariazzi, A. G.
Mariş, I. C.
Marsella, G.
Martello, D.
Martinelli, S.
Bravo, O. Martínez
Martins, M. A.
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.
Mulrey, K.
Mussa, R.
Namasaka, W. M.
Negi, S.
Nellen, L.
Nguyen, K.
Nicora, G.
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.
Pękala, J.
Pelayo, R.
Pelgrims, V.
Pereira, L. A. S.
Martins, E. E. Pereira
Bertolli, C. Pérez
Perrone, L.
Petrera, S.
Petrucci, C.
Pierog, T.
Pimenta, M.
Platino, M.
Pont, B.
Pothast, M.
Shahvar, M. Pourmohammad
Privitera, P.
Prouza, M.
Querchfeld, S.
Rautenberg, J.
Ravignani, D.
Akim, J. V. Reginatto
Reininghaus, M.
Reuzki, A.
Ridky, J.
Riehn, F.
Risse, M.
Rizi, V.
de Carvalho, W. Rodrigues
Rodriguez, E.
Rojo, J. Rodriguez
Roncoroni, M. J.
Rossoni, S.
Roth, M.
Roulet, E.
Rovero, A. C.
Saftoiu, A.
Saharan, M.
Salamida, F.
Salazar, H.
Salina, G.
Gomez, J. D. Sanabria
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.
Schmidt, D.
Scholten, O.
Schoorlemmer, H.
Schovánek, P.
Schröder, F. G.
Schulte, J.
Schulz, T.
Sciutto, S. J.
Scornavacche, M.
Sedoski, A.
Segreto, A.
Sehgal, S.
Shivashankara, S. U.
Sigl, G.
Simkova, K.
Simon, F.
Smau, R.
Šmída, R.
Sommers, P.
Squartini, R.
Stadelmaier, M.
Stanič, S.
Stasielak, J.
Stassi, P.
Strähnz, S.
Straub, M.
Suomijärvi, T.
Supanitsky, A. D.
Svozilikova, Z.
Szadkowski, Z.
Tairli, F.
Tapia, A.
Taricco, C.
Timmermans, C.
Tkachenko, O.
Tobiska, P.
Peixoto, C. J. Todero
Tomé, B.
Torrès, Z.
Travaini, A.
Travnicek, P.
Tueros, M.
Unger, M.
Uzeiroska, R.
Vaclavek, L.
Vacula, M.
Galicia, J. F. Valdés
Valore, L.
Varela, E.
Vašíčková, V.
Vásquez-Ramírez, A.
Veberič, D.
Quispe, I. D. Vergara
Verzi, V.
Vicha, J.
Vink, 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.
Publication Year :
2024

Abstract

We present measurements of the atmospheric depth of the shower maximum $X_\mathrm{max}$, inferred for the first time on an event-by-event level using the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory. Using deep learning, we were able to extend measurements of the $X_\mathrm{max}$ distributions up to energies of 100 EeV ($10^{20}$ eV), not yet revealed by current measurements, providing new insights into the mass composition of cosmic rays at extreme energies. Gaining a 10-fold increase in statistics compared to the Fluorescence Detector data, we find evidence that the rate of change of the average $X_\mathrm{max}$ with the logarithm of energy features three breaks at $6.5\pm0.6~(\mathrm{stat})\pm1~(\mathrm{sys})$ EeV, $11\pm 2~(\mathrm{stat})\pm1~(\mathrm{sys})$ EeV, and $31\pm5~(\mathrm{stat})\pm3~(\mathrm{sys})$ EeV, in the vicinity to the three prominent features (ankle, instep, suppression) of the cosmic-ray flux. The energy evolution of the mean and standard deviation of the measured $X_\mathrm{max}$ distributions indicates that the mass composition becomes increasingly heavier and purer, thus being incompatible with a large fraction of light nuclei between 50 EeV and 100 EeV.<br />Comment: submitted to Phys. Rev. Lett., 10 pages, 3 figures, 1 table

Details

Database :
arXiv
Publication Type :
Report
Accession number :
edsarx.2406.06315
Document Type :
Working Paper