Mass Composition from 3 EeV to 100 EeV using the Depth of the Maximum of Air-Shower Profiles Estimated with Deep Learning using Surface Detector Data of the Pierre Auger Observatory
Jonas GlombitzaDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaAdila Abdul HalimP. AbreuLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaM. AgliettaLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaI. AllekotteCentro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro (CNEA-UNCuyo-CONICET), San Carlos de Bariloche, ArgentinaKévin Almeida CheminantIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaAlejandro AlmelaInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaRoberto AloisioDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaJaime Álvarez-MuñizUniversidad Nacional de La PlataJuan Ammerman YebraGioacchino Alex AnastasiIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaLuis A. AnchordoquiDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaBelén AndradaInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaS. AndringaLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaC. AramoInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaPaulo Ricardo Araújo FerreiraE. ArnoneInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaJuan Carlos Arteaga VelázquezLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaHernán Gonzalo AsoreyInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaP. AssisInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaGualberto AvilaObservatorio Pierre Auger and Comisión Nacional de Energía Atómica, Malargüe, ArgentinaEmanuele AvoconeLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaAlina Mihaela BadescuInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaAlena BakalováInstitute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czech RepublicAlexandru BalaceanuInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaFelicia BarbatoDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaAdriel Bartz MocellinInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaJose A. BellidoUniversity of Adelaide, Adelaide, S.A., AustraliaCorinne BératInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaM. E. BertainaDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaGopal BhattaInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaMarta BianciottoInstitute of Astronomy and Space PhysicsPeter L. BiermannInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaVirginia BinetInstituto de Física de Rosario (IFIR) -CONICET/U.N.R. and Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas U.N.R., Rosario, ArgentinaKathrin BismarkInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaTeresa BisterLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaJonathan BiteauDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaJiří BlažekInstitute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czech RepublicC. BleveDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaJohannes BlümerInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaMartina BoháčováInstitute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czech RepublicDenise BoncioliIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaC. BonifaziUniversidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Física, Rio de Janeiro, RJ, BrazilLuan Bonneau ArbeletcheUniversidade Estadual de Campinas, IFGW, Campinas, SP, BrazilNataliia BorodaiIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaJ. BrackP. Gabriel Brichetto OrcheraInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaFlorian Lukas BriechleInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaA. BuenoIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaS. BuitinkVrije Universiteit Brussels, Brussels, BelgiumMario BuscemiInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaMax BüskenInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaAnthony BwembyaLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaK. S. Caballero‐MoraLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaSergio Cabana-FreireInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaLorenzo CaccianigaLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaIoana CaracasUniversidad Nacional de La PlataR. CarusoDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaA. CastellinaLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaF. CatalaniUniversidade de São Paulo, Escola de Engenharia de Lorena, Lorena, SP, BrazilG. CataldiDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaLorenzo CazonIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaMarcos CerdaObservatorio Pierre Auger, Malargüe, ArgentinaAlessandro CermenatiInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaC. DobrigkeitUniversidade Estadual de Campinas, IFGW, Campinas, SP, BrazilJ. ChudobaInstitute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czech RepublicL. ChytkaPalacky University, Olomouc, Czech RepublicR. W. ClayUniversity of Adelaide, Adelaide, S.A., AustraliaAgustín Cobos CeruttiLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaRoberta ColalilloInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaAlan ColemanInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaMaria Rita ColucciaInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaR. ConceiçãoIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaAntonio CondorelliIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaGiovanni ConsolatiInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaMatteo ConteInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaFabio ConvengaInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaDiego Correia dos SantosUniversidade Federal Fluminense, EEIMVR, Volta Redonda, RJ, BrazilPedro J. CostaIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaC. E. CovaultLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaM. CristinzianiLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaCarlo Salvattore Cruz SanchezLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaS. DassoInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaK. DaumillerInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaB. R. DawsonInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaRogerio M. de AlmeidaDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaJoaquin de JesusIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaS. J. de JongIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaJoão de Mello NetoUniversidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Observatório do Valongo, Rio de Janeiro, RJ, BrazilI. De MitriLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaJaime de OliveiraLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaDanelise de Oliveira FrancoInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaFrancesco de PalmaIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaVitor de SouzaUniversidade de São Paulo, Instituto de Física de São Carlos, São Carlos, SP, BrazilEmanuele De VitoLaboratorio Atmósfera -Departamento de Investigaciones en Láseres y sus Aplicaciones -UNIDEF (CITEDEF-CONICET), ArgentinaA. Del PopoloO. DelignyCNRS/IN2P3, IJCLab, Université Paris-Saclay, Orsay, FranceNikolas DennerIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaLuca DevalInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaA. di MatteoDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, Argentina
2023en
ABI
Abstract
We present a new analysis for estimating the depth of the maximum of air-shower profiles, $X_\mathrm{max}$, to investigate the evolution of the ultra-high-energy cosmic ray mass composition from 3 to 100 EeV. We use a recently developed deep-learning-based technique for the reconstruction of $X_\mathrm{max}$ from the data of the surface detector of the Pierre Auger Observatory. To avoid systematic uncertainties arising from hadronic interaction models in the simulation of surface detector data, we calibrate the new reconstruction technique with observations of the fluorescence detector. Using the novel analysis, we have a 10-fold increase of statistics at $E>5$ EeV with respect to fluorescence detector data. We are able, for the first time, to study the evolution of the mean and standard deviation of the $X_\mathrm{max}$ distributions up to 100 EeV. We find an excellent agreement with fluorescence observations and confirm the increase of the mean logarithmic mass <lnA> and a decrease of the $X_\mathrm{max}$ fluctuations with energy. The $X_\mathrm{max}$ measurement at the highest --- so far inaccessible --- energies is consistent with a pure mass composition and a mean logarithmic mass of around $\sim3$ (estimated using the Sibyll 2.3d and the EPOS-LHC hadronic interaction models). Furthermore, with the increase in statistics, we find indications for a structure beyond a constant elongation rate in the evolution of $X_\mathrm{max}$.
Identifiers
Citations and references
Cited by 20 references