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Event-by-event reconstruction of the shower maximum $X_{\mathrm{max}}$ with the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory using deep learning

Jonas GlombitzaCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaP. AbreuIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaM. AgliettaObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaJustin M. AlburyUniversity of Adelaide, Adelaide, S.A., AustraliaI. AllekotteCentro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro (CNEA-UNCuyo-CONICET), San Carlos de Bariloche, ArgentinaAlejandro AlmelaUniversidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Buenos Aires, Buenos Aires, ArgentinaJaime Álvarez-MuñizObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaRafael Alves BatistaIII. Physics Institute A, RWTH Aachen University, Aachen, GermanyGioacchino Alex AnastasiCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaLuis A. AnchordoquiIII. Physics Institute A, RWTH Aachen University, Aachen, GermanyBelén AndradaInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaS. AndringaDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaC. AramoDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaPaulo Ricardo Araújo FerreiraJuan Carlos Arteaga VelázquezUniversidad Nacional de La PlataHernán Gonzalo AsoreyInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaP. AssisInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaGualberto AvilaObservatorio Pierre Auger and Comisión Nacional de Energía Atómica, Malargüe, ArgentinaAlina Mihaela BadescuInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaAlena BakalováObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaAlexandru BalaceanuDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaFelicia BarbatoIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaRicardo Jorge Barreira LuzIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaKarl‐Heinz BeckerCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaJose A. BellidoUniversity of Adelaide, Adelaide, S.A., AustraliaCorinne BératIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaMario E. BertainaObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaX. BertouCentro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro (CNEA-UNCuyo-CONICET), San Carlos de Bariloche, ArgentinaPeter L. BiermannObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, 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 BisterIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaJonathan BiteauInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaJiří BlažekObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaC. BleveInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaMartina BoháčováCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaDenise BoncioliRWTH Aachen UniversityC. BonifaziInternational Center of Advanced Studies and Instituto de Ciencias Físicas, ECyT-UNSAM and CONICET, Campus Miguelete -San Martín, Buenos Aires, ArgentinaLuan Bonneau ArbeletcheInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaNataliia BorodaiIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaAna Martina BottiInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaJ. BrackIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaT. BretzIII. Physics Institute A, RWTH Aachen University, Aachen, GermanyP. Gabriel Brichetto OrcheraInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaFlorian Lukas BriechleUniversidad Nacional de La PlataP. BuchholzDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaA. BuenoObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaS. BuitinkUniversidad Nacional de La PlataMario BuscemiObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaMax BüskenInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), Buenos Aires, ArgentinaK. S. Caballero‐MoraIII. Physics Institute A, RWTH Aachen University, Aachen, GermanyLorenzo CaccianigaInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaFabrizia CanforaObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaIoana CaracasCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaJuan Miguel CarcellerCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaR. CarusoCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaA. CastellinaDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaF. CatalaniInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaG. CataldiInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaLorenzo CazonObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaMarcos CerdaObservatorio Pierre Auger, Malargüe, ArgentinaC. DobrigkeitObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaJ. ChudobaIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaL. ChytkaRWTH Aachen UniversityR. W. ClayUniversity of Adelaide, Adelaide, S.A., AustraliaAgustín Cobos CeruttiInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaRoberta ColalilloInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaAlan ColemanPierre Auger ObservatoryMaria Rita ColucciaCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaR. ConceiçãoDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaAntonio CondorelliUniversidad Nacional de La PlataGiovanni ConsolatiInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaF. ContrerasObservatorio Pierre Auger and Comisión Nacional de Energía Atómica, Malargüe, ArgentinaFabio ConvengaObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaDiego Correia dos SantosPierre Auger ObservatoryC. E. CovaultDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaS. DassoIII. Physics Institute A, RWTH Aachen University, Aachen, GermanyK. DaumillerUniversidad Nacional de La PlataB. R. DawsonDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaJarryd A. DayIFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, ArgentinaRogerio M. de AlmeidaUniversidad Nacional de La PlataJoaquin de JesusInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaS. J. de JongCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaG. De MauroUniversidad Nacional de La PlataJoão de Mello NetoCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaI. De MitriDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaJaime de OliveiraUniversidad Nacional de La PlataDanelise de Oliveira FrancoInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaFrancesco de PalmaInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaVitor de SouzaObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaEmanuele De VitoCentro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, ArgentinaMariano del RíoDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaO. DelignyInstituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA), Buenos Aires, ArgentinaLuca DevalObservatorio Pierre Auger, Av. San Martín Norte 304, 5613 Malargüe, ArgentinaA. di MatteoDepartamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, ArgentinaC. DobrigkeitIII. Physics Institute A, RWTH Aachen University, Aachen, GermanyJuan Carlos D’OlivoIII. Physics Institute A, RWTH Aachen University, Aachen, GermanyLuis Miguel Domingues MendesInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaRita Cassia dos AnjosInstituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM), and Universidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, ArgentinaDiego dos SantosIII. Physics Institute A, RWTH Aachen University, Aachen, Germany
2021en
ABI

Аннотация

The measurement of the mass composition of ultra-high energy cosmic rays constitutes a prime challenge in astroparticle physics. Most detailed information on the composition can be obtained from measurements of the depth of maximum of air showers, $X_{\mathrm{max}}$, with the use of fluorescence telescopes, which can be operated only during clear and moonless nights. Using deep neural networks, it is now possible for the first time to perform an event-by-event reconstruction of $X_{\mathrm{max}}$ with the Surface Detector (SD) of the Pierre Auger Observatory. Therefore, previously recorded data can be analyzed for information on $X_{\mathrm{max}}$, and thus, the cosmic-ray composition. Since the SD operates with a duty cycle of almost $100\%$ and its event selection is less strict than for the Fluorescence Detector (FD), the gain in statistics with respect to the FD is almost a factor of 15 for energies above $10^{19.5}~\mathrm{eV}$. In this contribution, we introduce the neural network particularly designed for the SD of the Pierre Auger Observatory. We evaluate its performance using three different hadronic interaction models, verify its functionality using Auger hybrid measurements, and find that the method can extract mass information on an event level.

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