Inference of the Mass Composition of Cosmic Rays with Energies from <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn>18.5</mml:mn></mml:msup></mml:math> to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>eV</mml:mi></mml:mrow></mml:math> Using the Pierre Auger Observatory and Deep Learning
Adila Abdul HalimUniversity of AdelaideP. AbreuUniversidade de Lisboa—ULM. AgliettaINFNI. AllekotteCentro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro (CNEA-UNCuyo-CONICET)Kévin Almeida CheminantInstitute of Nuclear Physics PANA. AlmelaInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM)Roberto AloisioGran Sasso Science InstituteJaime Álvarez-MuñizUniversidade de Santiago de CompostelaJuan Ammerman YebraUniversidade de Santiago de CompostelaGioacchino Alex AnastasiINFNL. AnchordoquiCity University of New YorkB. AndradaInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM)Luciana Andrade DouradoGran Sasso Science InstituteS. AndringaUniversidade de Lisboa—ULL. ApollonioINFNC. AramoP. R. Araújo FerreiraRWTH Aachen UniversityE. ArnoneINFNJuan Carlos Arteaga VelázquezUniversidad Michoacana de San Nicolás de HidalgoP. AssisUniversidade de Lisboa—ULGael Flores AvilaObservatorio Pierre Auger and Comisión Nacional de Energía AtómicaEmanuele AvoconeINFN Laboratori Nazionali del Gran SassoAlena BakalováInstitute of Physics of the Czech Academy of SciencesFelicia BarbatoGran Sasso Science InstituteAdriel Bartz MocellinColorado School of MinesCorinne BératUniversité Grenoble AlpesM. E. BertainaINFNGopal BhattaInstitute of Nuclear Physics PANMarta BianciottoINFNPeter L. Biermann"Horia Hulubei" National Institute for Physics and Nuclear Engineering, Bucharest-Magurele, RomaniaV. BinetInstituto de Física de Rosario (IFIR)Kathrin BismarkInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM)Teresa BisterNationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica (NIKHEF)Jonathan BiteauUniversité Paris-SaclayJiří BlažekInstitute of Physics of the Czech Academy of SciencesC. BleveUniversité Grenoble AlpesJ. BlümerKarlsruhe Institute of Technology (KIT)M. BoháčováInstitute of Physics of the Czech Academy of SciencesDenise BoncioliINFN Laboratori Nazionali del Gran SassoC. BonifaziECyT-UNSAM and CONICETL. Bonneau ArbeletcheUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP)Nataliia BorodaiInstitute of Nuclear Physics PANJ. Brack"Horia Hulubei" National Institute for Physics and Nuclear Engineering, Bucharest-Magurele, RomaniaP. G. Brichetto OrcheraInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM)F. L. BriechleRWTH Aachen UniversityA. BuenoUniversidad de Granada and C.A.F.P.ES. BuitinkVrije Universiteit BrusselsMario BuscemiINFNM. BüskenInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM)Anthony BwembyaNationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica (NIKHEF)K. S. Caballero‐MoraUniversidad Autónoma de ChiapasS. Cabana-FreireUniversidade de Santiago de CompostelaLorenzo CaccianigaINFNF. CampuzanoInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional—Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA)R. CarusoINFNA. CastellinaINFNF. CatalaniUniversidade de São PauloG. CataldiLorenzo CazonUniversidade de Santiago de CompostelaM. CerdaObservatorio Pierre AugerBerenika ČermákováKarlsruhe Institute of Technology (KIT)A. CermenatiGran Sasso Science InstituteC. DobrigkeitUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP)J. ChudobaInstitute of Physics of the Czech Academy of SciencesL. ChytkaPalacky UniversityR. W. ClayUniversity of AdelaideAgustín Cobos CeruttiInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional—Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA)Roberta ColalilloINFNM. R. ColucciaR. ConceiçãoUniversidade de Lisboa—ULAntonio CondorelliUniversité Paris-SaclayGiovanni ConsolatiINFNM. ConteINFNFabio ConvengaINFN Laboratori Nazionali del Gran SassoD. Correia dos SantosUniversidade Federal do Rio de JaneiroP. J. CostaUniversidade de Lisboa—ULC. E. CovaultCase Western Reserve UniversityM. CristinzianiUniversität SiegenCarlo Salvattore Cruz SanchezUniversidad Nacional de La Plata and CONICETS. DassoInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA)K. DaumillerKarlsruhe Institute of Technology (KIT)B. R. DawsonUniversity of AdelaideR. M. de AlmeidaUniversidade Federal do Rio de JaneiroBeatriz de ErricoUniversidade Federal do Rio de JaneiroJoaquín de JesúsInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM)S. J. de JongNationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica (NIKHEF)J. R. T. de Mello NetoUniversidade Federal do Rio de JaneiroI. De MitriGran Sasso Science InstituteJ. de OliveiraCiência e Tecnologia do Rio de Janeiro (IFRJ)Danelise de Oliveira FrancoF. de PalmaINFNV. de SouzaUniversidade de São PauloEmanuele De VitoINFNA. Del PopoloINFNO. DelignyUniversité Paris-SaclayN. DennerInstitute of Physics of the Czech Academy of SciencesL. DevalInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM)A. di MatteoA John JoelUniversidad Nacional de San Agustin de ArequipaM. Dobre“Horia Hulubei” National Institute for Physics and Nuclear Engineering
ABI
Abstract
We present measurements of the atmospheric depth of the shower maximum X_{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_{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_{max} with the logarithm of energy features three breaks at 6.5±0.6(stat)±1(syst) EeV, 11±2(stat)±1(syst) EeV, and 31±5(stat)±3(syst) 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_{max} distributions indicates that the mass composition becomes increasingly heavier and purer, thus being incompatible with a large fraction of light nuclei between 50 and 100 EeV.
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