학술논문
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
Document Type
Working Paper
Author
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.
Source
Subject
Language
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.
Comment: submitted to Phys. Rev. Lett., 10 pages, 3 figures, 1 table
Comment: submitted to Phys. Rev. Lett., 10 pages, 3 figures, 1 table