학술논문
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
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. 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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. 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Abstract
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.
Comment: submitted to Phys. Rev. D, 28 pages, 18 figures, 5 tables
Comment: submitted to Phys. Rev. D, 28 pages, 18 figures, 5 tables