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A composition-informed search for large-scale anisotropy with the Pierre Auger Observatory

Geraldina Golup𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Adila Abdul Halim𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏P. AbreuLaboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas -LIP andM. AgliettaOsservatorio Astrofisico di Torino (INAF) , Torino , ItalyI. AllekotteObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaKévin Almeida CheminantInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalAlejandro Almela𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Roberto Aloisio𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Jaime Álvarez-MuñizObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaAntonio AmbrosoneObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaJuan Ammerman YebraInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalGioacchino Alex AnastasiUniversità di Catania , Dipartimento di Fisica e Astronomia "Ettore Majorana" , Catania , ItalyLuis A. Anchordoqui𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Belén AndradaObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaLuciana Andrade DouradoInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalS. AndringaLaboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas -LIP andL. ApollonioIstituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di MilanoC. Aramo𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏E. ArnoneUniversità Torino , Dipartimento di Fisica , Torino , ItalyJuan Carlos Arteaga VelázquezUniversidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo , Morelia , Michoacán , MéxicoP. AssisLaboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas -LIP andGael Flores AvilaInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalEmanuele AvoconeUniversità dell'Aquila , Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche , L'Aquila , ItalyAlena Bakalová𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Felicia BarbatoObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaAdriel Bartz MocellinObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaJose A. BellidoInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalCorinne BératInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalM. E. BertainaUniversità Torino , Dipartimento di Fisica , Torino , ItalyMarta BianciottoUniversità Torino , Dipartimento di Fisica , Torino , ItalyPeter L. BiermannObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaVirginia BinetInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalKathrin BismarkInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalTeresa BisterInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalJ. Biteau𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Jiří Blažek𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Johannes BlümerObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaMartina BoháčováObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaDenise BoncioliUniversità dell'Aquila , Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche , L'Aquila , ItalyC. BonifaziInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalNataliia BorodaiInstitute of Nuclear Physics PAN , Krakow , PolandJ. BrackP. Gabriel Brichetto OrcheraObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaFlorian Lukas BriechleInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalA. BuenoInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalS. Buitink𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Mario BuscemiUniversità di Catania , Dipartimento di Fisica e Astronomia "Ettore Majorana" , Catania , ItalyMax BüskenObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaAnthony BwembyaObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaK. S. Caballero‐MoraUniversidad Autónoma de Chiapas , Tuxtla Gutiérrez , Chiapas , MéxicoLorenzo CaccianigaUniversità di Milano , Dipartimento di Fisica , Milano , ItalyFederico CampuzanoObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaJorge Caraça-ValenteInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalR. CarusoUniversità di Catania , Dipartimento di Fisica e Astronomia "Ettore Majorana" , Catania , ItalyA. CastellinaOsservatorio Astrofisico di Torino (INAF) , Torino , ItalyF. Catalani𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏G. Cataldi𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Lorenzo Cazon𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Marcos CerdaObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaBerenika ČermákováObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaAlessandro CermenatiInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalC. DobrigkeitInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalJ. Chudoba𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏L. Chytka𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏R. W. Clay𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Agustín Cobos CeruttiObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaRoberta ColalilloUniversity of Naples Federico IIR. ConceiçãoLaboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas -LIP andGiovanni ConsolatiPolitecnico di Milano , Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali , Milano , ItalyMatteo ConteUniversità del Salento , Dipartimento di Matematica e Fisica "E. De Giorgi" , Lecce , ItalyFabio Convenga𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Diego Correia dos SantosObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaPedro J. CostaLaboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas -LIP andC. E. CovaultInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalM. CristinzianiInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalCarlo Salvattore Cruz SanchezInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalS. Dasso𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏K. Daumiller𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏B. R. DawsonObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaRogerio M. de AlmeidaInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalEric-Teunis de BooneInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalBeatriz de ErricoInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalJoaquín de JesúsInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalS. J. de Jong𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏João de Mello Neto𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏I. De MitriObservatorio Pierre Auger , Av. San Martín Norte 304 , 5613 Malargüe , ArgentinaJaime de OliveiraInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalDanelise de Oliveira FrancoInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalFrancesco de PalmaUniversità del Salento , Dipartimento di Matematica e Fisica "E. De Giorgi" , Lecce , ItalyVitor de Souza𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Emanuele De VitoUniversità del Salento , Dipartimento di Matematica e Fisica "E. De Giorgi" , Lecce , ItalyAntonino Del PopoloO. DelignyInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalNikolas DennerInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalLuca DevalOsservatorio Astrofisico di Torino (INAF) , Torino , ItalyA. di MatteoInstituto Superior Técnico -IST , Universidade de Lisboa -UL , Lisboa , PortugalC. Dobrigkeit𝑎 CNEA/CONICET , Centro Atómico Bariloche , Argentina. 𝑏Juan Carlos D'OlivoUniversidad Nacional Autónoma de México , México , D.F. , México
2025en
ABI

Abstract

The large-scale dipolar structure in the arrival directions of ultra-high-energy cosmic rays with energies above $8\,$EeV observed by the Pierre Auger Collaboration is a well-established anisotropy measurement. This anisotropy is understood to be of extragalactic origin, as the maximum of the dipolar component is located ${\sim}115^\circ$ away from the Galactic Center. Cosmic rays interact with background radiation and magnetized regions on their path from their sources to Earth. These interactions, which depend on the cosmic-ray energy, charge and mass composition, give rise to different horizons and deflections that are expected to lead to different anisotropies in the arrival directions of cosmic rays at Earth. The Auger Collaboration has determined that the mass composition of cosmic rays at ultra-high energies is mixed, becoming increasingly heavier as a function of energy. Thus, different dipole amplitudes are expected to be measured at a given energy when separating the data into composition-distinct subsets of lighter and heavier elements. In this contribution, we investigate the composition signature on the large-scale anisotropy taking advantage of composition estimators obtained from the data gathered with the surface detector. A way of probing for composition signatures in anisotropy patterns is then to divide the data into subsets of ``lighter'' and ``heavier'' elements per energy bin. In a simulation library, we evaluate the possibility of measuring a separation in total dipole amplitude between two such populations of the measured dataset under a source-agnostic model. We present the results using two different composition estimators, one based on air-shower universality and one inferred with deep learning.

Identifiers

Citations and references

Cited by 10 references