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