Measurement of the Depth of Maximum of Air-Shower Profiles with energies between $\mathbf{10^{18.5}}$ and $\mathbf{10^{20}}$ eV using the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory and Deep Learning - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Pré-Publication, Document De Travail Année : 2024

Measurement of the Depth of Maximum of Air-Shower Profiles with energies between $\mathbf{10^{18.5}}$ and $\mathbf{10^{20}}$ eV using the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory and Deep Learning

A Abdul Halim , P Abreu , M Aglietta , I Allekotte , K. Almeida Cheminant , A Almela , R Aloisio , J Alvarez-Muñiz , J. Ammerman Yebra , G.A Anastasi , L Anchordoqui , B Andrada , L. Andrade Dourado , S Andringa , L Apollonio , C Aramo , P.R Araújo Ferreira , E Arnone , J.C. Arteaga Velázquez , P Assis , G Avila , E Avocone , A Bakalova , F Barbato , A. Bartz Mocellin , C Berat (1) , M.E Bertaina , G Bhatta , M Bianciotto , P.L Biermann , V Binet , K Bismark , T Bister , J Biteau (2, 3) , J Blazek , C Bleve (1) , J Blümer , M Boháčová , D Boncioli , C Bonifazi , L. Bonneau Arbeletche , N Borodai , J Brack , P.G. Brichetto Orchera , F.L Briechle , A Bueno , S Buitink , M Buscemi , M Büsken , A Bwembya , K.S Caballero-Mora , S Cabana-Freire , L Caccianiga , F Campuzano , R Caruso , A Castellina , F Catalani , G Cataldi , L Cazon , M Cerda , B Čermáková , A Cermenati , J.A Chinellato , J Chudoba , L Chytka , R.W Clay , A.C Cobos Cerutti , R Colalillo , M.R Coluccia , R Conceição , A Condorelli (2) , G Consolati , M Conte , F Convenga , D. Correia dos Santos , P.J Costa , C.E Covault , M Cristinziani , C.S. Cruz Sanchez , S Dasso , K Daumiller , B.R Dawson , R.M de Almeida , B de Errico , J de Jesús , S.J de Jong , J.R.T de Mello Neto , I de Mitri , J de Oliveira , D de Oliveira Franco , F de Palma , V de Souza , E de Vito , A del Popolo , O Deligny (2) , N Denner , L Deval , A Di Matteo , J.A Do , M Dobre , C Dobrigkeit , J.C d'Olivo , L.M. Domingues Mendes , Q Dorosti , J.C dos Anjos , R.C dos Anjos , J Ebr , F Ellwanger , M Emam , R Engel , I Epicoco , M Erdmann , A Etchegoyen , C Evoli , H Falcke , G Farrar , A.C Fauth , T Fehler , F Feldbusch , F Fenu , A Fernandes , B Fick , J.M Figueira , P Filip , A Filipčič , T Fitoussi , B Flaggs , T Fodran , T Fujii , A Fuster , C Galea , B García , C Gaudu , A Gherghel-Lascu , P.L Ghia (2) , U Giaccari , J Glombitza , F Gobbi , F Gollan , G Golup , M Gómez Berisso , P.F Gómez Vitale , J.P Gongora , J.M González , N González , D Góra , A Gorgi , M Gottowik , F Guarino , G.P Guedes , E Guido , L Gülzow , S Hahn , P Hamal , M.R Hampel , P Hansen , D Harari , V.M Harvey , A Haungs , T Hebbeker , C Hojvat , J.R Hörandel , P Horvath , M Hrabovský , T Huege , A Insolia , P.G Isar , P Janecek , V Jilek , J.A Johnsen , J Jurysek , K.-H Kampert , B Keilhauer , A Khakurdikar , V.V Kizakke Covilakam , H.O Klages , M Kleifges , F Knapp , J Köhler , F Krieger , N Kunka , B.L Lago , N Langner , M.A. Leigui de Oliveira , Y Lema-Capeans , A Letessier-Selvon (4) , I Lhenry-Yvon (2) , L Lopes , L Lu , Q Luce , J.P Lundquist , A Machado Payeras , M Majercakova , D Mandat , B.C Manning , P Mantsch , F.M Mariani , A.G Mariazzi , I.C Mariş , G Marsella , D Martello , S Martinelli , O Martínez Bravo , M.A Martins , H.-J Mathes , J Matthews , G Matthiae , E Mayotte , S Mayotte , P.O Mazur , G Medina-Tanco , J Meinert , D Melo , A Menshikov , C Merx , S Michal , M.I Micheletti , L Miramonti , S Mollerach , F Montanet (1) , L Morejon , K Mulrey , R Mussa , W.M Namasaka , S Negi , L Nellen , K Nguyen , G Nicora , M Niechciol , D Nitz , D Nosek , V Novotny , L Nožka , A Nucita , L.A Núñez , C Oliveira , M Palatka , J Pallotta , S Panja , G Parente , T Paulsen , J Pawlowsky , M Pech , J Pȩkala , R Pelayo , V Pelgrims , L.A.S Pereira , E.E Pereira Martins , C Pérez Bertolli , L Perrone , S Petrera , C Petrucci , T Pierog , M Pimenta , M Platino , B Pont , M Pothast , M. Pourmohammad Shahvar , P Privitera , M Prouza , S Querchfeld , J Rautenberg , D Ravignani , J.V. Reginatto Akim , M Reininghaus , A Reuzki , J Ridky , F Riehn , M Risse , V Rizi , W. Rodrigues de Carvalho , E Rodriguez , J Rodriguez Rojo , M.J Roncoroni , S Rossoni , M Roth , E Roulet , A.C Rovero , A Saftoiu , M Saharan , F Salamida , H Salazar , G Salina , J.D. Sanabria Gomez , F Sánchez , E.M Santos , E Santos , F Sarazin , R Sarmento , R Sato , P Savina , C.M Schäfer , V Scherini , H Schieler , M Schimassek (2) , M Schimp , D Schmidt , O Scholten , H Schoorlemmer , P Schovánek , F.G Schröder , J Schulte , T Schulz , S.J Sciutto , M Scornavacche , A Sedoski , A Segreto , S Sehgal , S.U Shivashankara , G Sigl , K Simkova , F Simon , R Smau , R Šmída , P Sommers , R Squartini , M Stadelmaier , S Stanič , J Stasielak , P Stassi (1) , S Strähnz , M Straub , T Suomijärvi (2) , A.D Supanitsky , Z Svozilikova , Z Szadkowski , F Tairli , A Tapia , C Taricco , C Timmermans , O Tkachenko , P Tobiska , C.J Todero Peixoto , B Tomé , Z Torrès (1) , A Travaini , P Travnicek , M Tueros , M Unger , R Uzeiroska , L Vaclavek , M Vacula , J.F Valdés Galicia , L Valore , E Varela , V Vašíčková , A Vásquez-Ramírez , D Veberič , I.D Vergara Quispe , V Verzi , J Vicha , J Vink , S Vorobiov , C Watanabe , A.A Watson , A Weindl , L Wiencke , H Wilczyński , D Wittkowski , B Wundheiler , B Yue , A Yushkov , O Zapparrata , E Zas , D Zavrtanik , M Zavrtanik
A Abdul Halim
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P Abreu
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M Aglietta
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I Allekotte
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S Vorobiov
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B Wundheiler
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B Yue
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A Yushkov
  • Fonction : Auteur
O Zapparrata
  • Fonction : Auteur
E Zas
  • Fonction : Auteur
D Zavrtanik
  • Fonction : Auteur
M Zavrtanik
  • Fonction : Auteur

Résumé

We report an investigation of the mass composition of cosmic rays with energies from 3 to 100 EeV (1 EeV=$10^{18}$ eV) using the distributions of the depth of shower maximum $X_\mathrm{max}$. The analysis relies on ${\sim}50,000$ events recorded by the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory and a deep-learning-based reconstruction algorithm. Above energies of 5 EeV, the data set offers a 10-fold increase in statistics with respect to fluorescence measurements at the Observatory. After cross-calibration using the Fluorescence Detector, this enables the first measurement of the evolution of the mean and the standard deviation of the $X_\mathrm{max}$ distributions up to 100 EeV. Our findings are threefold: (1.) The evolution of the mean logarithmic mass towards a heavier composition with increasing energy can be confirmed and is extended to 100 EeV. (2.) The evolution of the fluctuations of $X_\mathrm{max}$ towards a heavier and purer composition with increasing energy can be confirmed with high statistics. We report a rather heavy composition and small fluctuations in $X_\mathrm{max}$ at the highest energies. (3.) We find indications for a characteristic structure beyond a constant change in the mean logarithmic mass, featuring three breaks that are observed in proximity to the ankle, instep, and suppression features in the energy spectrum.

Dates et versions

hal-04610453 , version 1 (13-06-2024)

Identifiants

Citer

A Abdul Halim, P Abreu, M Aglietta, I Allekotte, K. Almeida Cheminant, et al.. Measurement of the Depth of Maximum of Air-Shower Profiles with energies between $\mathbf{10^{18.5}}$ and $\mathbf{10^{20}}$ eV using the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory and Deep Learning. 2024. ⟨hal-04610453⟩
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