Статья

Direct measurement of the muonic content of extensive air showers between $$\mathbf { 2\times 10^{17}}$$ and $$\mathbf {2\times 10^{18}}~$$eV at the Pierre Auger Observatory

A. AabIMAPP, Radboud University Nijmegen, Nijmegen, The NetherlandsP. AbreuLaboratrio de Instrumentao e Fsica Experimental de Partculas -LIP and Instituto Superior Tcnico -IST, Universidade de Lisboa -UL, Lisbon, PortugalM. AgliettaINFN, Sezione di Torino, Torino, ItalyJustin M. AlburyUniversity of Adelaide, Adelaide, SA, AustraliaI. AllekotteCentro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro (CNEA-UNCuyo-CONICET), San Carlos de Bariloche, ArgentinaA. AlmelaInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaJ. Alvarez CastilloUniversidad Nacional Autnoma de Mxico, Mexico, D.F., MexicoJaime Álvarez-MuñizInstituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), Universidade de Santiago de Compostela, Santiago de Compostela, SpainGioacchino Alex AnastasiDipartimento di Fisica, Universit Torino, Torino, ItalyLuis A. AnchordoquiDepartment of Physics and Astronomy, Lehman College, City University of New York, Bronx, NY, USABelén AndradaInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaS. AndringaLaboratrio de Instrumentao e Fsica Experimental de Partculas -LIP and Instituto Superior Tcnico -IST, Universidade de Lisboa -UL, Lisbon, PortugalC. AramoINFN, Sezione di Napoli, Napoli, ItalyPaulo Ricardo Araújo FerreiraRWTH Aachen University, III. Physikalisches Institut A, Aachen, GermanyH. AsoreyInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaP. AssisLaboratrio de Instrumentao e Fsica Experimental de Partculas -LIP and Instituto Superior Tcnico -IST, Universidade de Lisboa -UL, Lisbon, PortugalG. ÁvilaObservatorio Pierre Auger, Malargüe, ArgentinaAlina Mihaela BadescuUniversity Politehnica of Bucharest, Bucharest, RomaniaAlena BakalováInstitute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czech RepublicA. Balaceanu"Horia Hulubei" National Institute for Physics and Nuclear Engineering, Bucharest-Magurele, RomaniaFelicia BarbatoDipartimento di Fisica "Ettore Pancini", Universit di Napoli "Federico II", Napoli, ItalyRicardo Jorge Barreira LuzLaboratrio de Instrumentao e Fsica Experimental de Partculas -LIP and Instituto Superior Tcnico -IST, Universidade de Lisboa -UL, Lisbon, PortugalK. BeckerDepartment of Physics, Bergische Universität Wuppertal, Wuppertal, GermanyJose A. BellidoUniversity of Adelaide, Adelaide, SA, AustraliaCorinne BératUniv. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes, LPSC-IN2P3, 38000, Grenoble, FranceM. E. BertainaDipartimento di Fisica, Universit Torino, Torino, ItalyX. BertouCentro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro (CNEA-UNCuyo-CONICET), San Carlos de Bariloche, ArgentinaPeter L. BiermannInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaTeresa BisterRWTH Aachen University, III. Physikalisches Institut A, Aachen, GermanyJonathan BiteauUniversité Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, Orsay, FranceA. BlancoLaboratrio de Instrumentao e Fsica Experimental de Partculas -LIP and Instituto Superior Tcnico -IST, Universidade de Lisboa -UL, Lisbon, PortugalJiří BlažekInstitute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czech RepublicC. BleveUniv. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes, LPSC-IN2P3, 38000, Grenoble, FranceM. BoháčováInstitute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czech RepublicDenise BoncioliINFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, L'Aquila, ItalyC. BonifaziINFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, L'Aquila, ItalyLuan Bonneau ArbeletcheUniversidade de São Paulo, Instituto de Física, São Paulo, SP, BrazilNataliia BorodaiInstitute of Nuclear Physics PAN, Krakow, PolandAna Martina BottiInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaJ. BrackInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaT. BretzRWTH Aachen University, III. Physikalisches Institut A, Aachen, GermanyF. L. BriechleRWTH Aachen University, III. Physikalisches Institut A, Aachen, GermanyP. BuchholzUniversität Siegen, Fachbereich 7 Physik – Experimentelle Teilchenphysik, Siegen, GermanyA. BuenoUniversidad de Granada and C.A.F.P.E., Granada, SpainS. BuitinkVrije Universiteit Brussels, Brussels, BelgiumMario BuscemiDipartimento di Fisica e Astronomia, Universit di Catania, Catania, ItalyK. S. Caballero‐MoraUniversidad Autnoma de Chiapas, Tuxtla Gutirrez, Chiapas, MexicoLorenzo CaccianigaDipartimento di Fisica, Universit di Milano, Milano, ItalyL. CalcagniIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaA. CancioInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaF. CanforaIMAPP, Radboud University Nijmegen, Nijmegen, The NetherlandsIoana CaracasDepartment of Physics, Bergische Universität Wuppertal, Wuppertal, GermanyJ. M. CarcellerUniversidad de Granada and C.A.F.P.E., Granada, SpainR. CarusoDipartimento di Fisica e Astronomia, Universit di Catania, Catania, ItalyA. CastellinaINFN, Sezione di Torino, Torino, ItalyF. CatalaniUniversidade de São Paulo, Escola de Engenharia de Lorena, Lorena, SP, BrazilG. CataldiINFN, Sezione di Lecce, Lecce, ItalyLorenzo CazonLaboratrio de Instrumentao e Fsica Experimental de Partculas -LIP and Instituto Superior Tcnico -IST, Universidade de Lisboa -UL, Lisbon, PortugalM. CerdaObservatorio Pierre Auger, Malargüe, ArgentinaC. DobrigkeitUniversidade Estadual de Campinas, IFGW, Campinas, SP, BrazilK. ChoiUniversité Libre de Bruxelles (ULB), Brussels, BelgiumJ. ChudobaInstitute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czech RepublicL. ChytkaPalacky University, RCPTM, Olomouc, Czech RepublicR. W. ClayUniversity of Adelaide, Adelaide, SA, AustraliaAgustín Cobos CeruttiInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM) and Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaRoberta ColalilloDipartimento di Fisica "Ettore Pancini", Universit di Napoli "Federico II", Napoli, ItalyAlan ColemanUniversity of Delaware, Department of Physics and Astronomy, Bartol Research Institute, Newark, DE, USAM. R. ColucciaDipartimento di Matematica e Fisica "E. De Giorgi", Universit del Salento, Lecce, ItalyR. ConceiçãoLaboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas – LIP and Instituto Superior Técnico – IST, Universidade de Lisboa – UL, Lisbon, PortugalAntonio CondorelliINFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, L'Aquila, ItalyGiovanni ConsolatiINFN, Sezione di Milano, Milano, ItalyF. ContrerasObservatorio Pierre Auger and Comisión Nacional de Energía Atómica, Malargüe, ArgentinaFabio ConvengaDipartimento di Matematica e Fisica "E. De Giorgi", Universit del Salento, Lecce, ItalyC. E. CovaultCase Western Reserve University, Cleveland, OH, USAS. DassoInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaK. DaumillerKarlsruhe Institute of Technology, Institut für Kernphysik, Karlsruhe, GermanyB. R. DawsonUniversity of Adelaide, Adelaide, SA, AustraliaJ.A. DayUniversity of Adelaide, Adelaide, SA, AustraliaR. M. de AlmeidaUniversidade Federal Fluminense, EEIMVR, Volta Redonda, RJ, BrazilJoaquín de JesúsInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaS. J. de JongIMAPP, Radboud University Nijmegen, Nijmegen, The NetherlandsG. De MauroIMAPP, Radboud University Nijmegen, Nijmegen, The NetherlandsJ. R. T. de Mello NetoUniversidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Física, Rio de Janeiro, RJ, BrazilI. De MitriINFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, L'Aquila, ItalyJaime de OliveiraUniversidade Federal Fluminense, EEIMVR, Volta Redonda, RJ, BrazilDanelise de Oliveira FrancoUniversidade Estadual de Campinas, IFGW, Campinas, SP, BrazilV. de SouzaUniversidade de São Paulo, Instituto de Física de São Carlos, São Carlos, SP, BrazilJ. DebatinKarlsruhe Institute of Technology, Institute for Experimental Particle Physics (ETP), Karlsruhe, GermanyM. del RíoObservatorio Pierre Auger and Comisión Nacional de Energía Atómica, Malargüe, ArgentinaO. DelignyLaboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-CurieN. DhitalInstitute of Nuclear Physics PAN, Krakow, PolandA. di MatteoINFN, Sezione di Torino, Torino, ItalyM. L. Díaz CastroUniversidade Estadual de Campinas, IFGW, Campinas, SP, BrazilC. DobrigkeitUniversidade Estadual de Campinas, IFGW, Campinas, SP, BrazilJ. C. D’OlivoUniversidad Nacional Autónoma de México, Mexico, D.F., MexicoQ. DorostiUniversität Siegen, Fachbereich 7 Physik – Experimentelle Teilchenphysik, Siegen, GermanyR. C. dos AnjosUniversidade Federal do Paraná, Setor Palotina, Palotina, BrazilM. T. DovaIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaJan EbrInstitute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czech RepublicR. EngelKarlsruhe Institute of Technology, Institute for Experimental Particle Physics (ETP), Karlsruhe, Germany

2020en

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Аннотация

Abstract The hybrid design of the Pierre Auger Observatory allows for the measurement of the properties of extensive air showers initiated by ultra-high energy cosmic rays with unprecedented precision. By using an array of prototype underground muon detectors, we have performed the first direct measurement, by the Auger Collaboration, of the muon content of air showers between $$2\times 10^{17}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn>17</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math> and $$2\times 10^{18}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn>18</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math> eV. We have studied the energy evolution of the attenuation-corrected muon density, and compared it to predictions from air shower simulations. The observed densities are found to be larger than those predicted by models. We quantify this discrepancy by combining the measurements from the muon detector with those from the Auger fluorescence detector at $$10^{{17.5}}\, {\mathrm{eV}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>17.5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace/><mml:mi>eV</mml:mi></mml:mrow></mml:math> and $$10^{{18}}\, {\mathrm{eV}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn>18</mml:mn></mml:msup><mml:mspace/><mml:mi>eV</mml:mi></mml:mrow></mml:math> . We find that, for the models to explain the data, an increase in the muon density of $$38\%$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>38</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo></mml:mrow></mml:math> $$\pm 4\% (12\%)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math> $$\pm {}^{21\%}_{18\%}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mn>18</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math> for EPOS-LHC , and of $$50\% (53\%)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>50</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>53</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math> $$\pm 4\% (13\%)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>13</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math> $$\pm {}^{23\%}_{20\%}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math> for QGSJetII-04 , is respectively needed.

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DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-8055-y

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