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Measurement of the Inelastic Proton-Proton Cross-Section at $\sqrt{s} \geq 40$ TeV Using the Hybrid Data of the Pierre Auger Observatory

Олена ТкаченкоComisión Nacional de Energía Atómica , Malargüe , ArgentinaAdila Abdul HalimUniversity of Adelaide , Adelaide , S.A. , AustraliaP. AbreuLaboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas -LIP andMarco AgliettaOsservatorio Astrofisico di Torino (INAF) , Torino , ItalyI. AllekotteComisión Nacional de Energía Atómica , Malargüe , ArgentinaKévin Almeida CheminantNationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica (NIKHEF) , Science Park , Amster- dam , The NetherlandsA. AlmelaUniversidad Tecnológica Nacional -Facultad Regional Buenos Aires , Buenos Aires , ArgentinaRoberto AloisioIstituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Palermo (INAF) , Palermo , ItalyJaime Álvarez-MuñizInstituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) , Universidade de Santiago de Compostela , Santiago de Compostela , SpainAntonio AmbrosoneComisión Nacional de Energía Atómica , Malargüe , ArgentinaJuan Ammerman YebraInstituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) , Universidade de Santiago de Compostela , Santiago de Compostela , SpainGioacchino Alex AnastasiUniversità di Catania , Dipartimento di Fisica e Astronomia "Ettore Majorana" , Catania , ItalyL. AnchordoquiDepartment of Physics and Astronomy , Lehman College , City University of New York , Bronx , NY , USABelén AndradaComisión Nacional de Energía Atómica , Malargüe , ArgentinaLuciana Andrade DouradoComisión Nacional de Energía Atómica , Malargüe , ArgentinaSofia AndringaLaboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas -LIP andL. ApollonioUniversità di Milano , Dipartimento di Fisica , Milano , ItalyCarla AramoINFN , Sezione di Napoli , Napoli , ItalyE. ArnoneINFN , Sezione di Torino , 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 AvilaObservatorio Pierre Auger andEmanuele AvoconeUniversità dell'Aquila , Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche , L'Aquila , ItalyAlena BakalováFZU ‒ Institute of Physics of the Academy of Sciences of the Czech RepublicFelicia Barbato-- 𝑎 Max-Planck-Institut für Radioastronomie , Bonn , GermanyAdriel Bartz MocellinColorado School of Mines , Golden , CO , USAJose A. BellidoUniversity of Adelaide , Adelaide , S.A. , AustraliaCorinne BératCentre National de la Recherche ScientifiqueMario E. BertainaINFN , Sezione di Torino , Torino , ItalyMarta BianciottoUniversità Torino , Dipartimento di Fisica , Torino , ItalyPeter L. BiermannSchool of Physics and Astronomy , University of Leeds , Leeds , United KingdomVirginia BinetIstituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Palermo (INAF) , Palermo , ItalyKathrin BismarkIstituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Palermo (INAF) , Palermo , ItalyTeresa BisterIMAPP , Radboud University Nijmegen , Nijmegen , The NetherlandsJonathan Biteau-- 𝑎 Max-Planck-Institut für Radioastronomie , Bonn , GermanyJiří BlažekFZU ‒ Institute of Physics of the Academy of Sciences of the Czech RepublicJohannes BlümerFermi National Accelerator Laboratory , Fermilab , Batavia , IL ,Martina BoháčováFZU ‒ Institute of Physics of the Academy of Sciences of the Czech RepublicDenise BoncioliUniversità dell'Aquila , Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche , L'Aquila , ItalyC. BonifaziComisión Nacional de Energía Atómica , Malargüe , ArgentinaNataliia BorodaiInstitute of Nuclear Physics, Polish Academy of SciencesJ. BrackP. Gabriel Brichetto OrcheraUniversidade Federal de Campina Grande , Centro de Ciencias e Tecnologia , Campina Grande , BrazilFlorian Lukas Briechle-- 𝑎 Max-Planck-Institut für Radioastronomie , Bonn , GermanyAntonio BuenoUniversidad de Granada and C.A.F.P.E. , Granada , SpainS. BuitinkVrije Universiteit Brussels , Brussels , BelgiumMario BuscemiUniversità di Catania , Dipartimento di Fisica e Astronomia "Ettore Majorana" , Catania , ItalyMax BüskenUniversidade Federal de Campina Grande , Centro de Ciencias e Tecnologia , Campina Grande , BrazilAnthony BwembyaIMAPP , Radboud University Nijmegen , Nijmegen , The NetherlandsK. S. Caballero‐MoraUniversidad Autónoma de Chiapas , Tuxtla Gutiérrez , Chiapas , MéxicoSergio Cabana-FreireInstituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) , Universidade de Santiago de Compostela , Santiago de Compostela , SpainLorenzo CaccianigaINFN , Sezione di Milano , Milano , ItalyFederico CampuzanoUniversidade Federal de Campina Grande , Centro de Ciencias e Tecnologia , Campina Grande , BrazilJorge Caraça-ValenteR. CarusoUniversità di Catania , Dipartimento di Fisica e Astronomia "Ettore Majorana" , Catania , ItalyAntonella CastellinaINFN , Sezione di Torino , Torino , ItalyF. CatalaniUniversidade de São Paulo , Escola de Engenharia de Lorena , Lorena , SP , BrazilGabriella CataldiUniversidade Federal de Campina Grande , Centro de Ciencias e Tecnologia , Campina Grande , BrazilLorenzo CazonInstituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) , Universidade de Santiago de Compostela , Santiago de Compostela , SpainMarcos CerdaUniversidade Federal de Campina Grande , Centro de Ciencias e Tecnologia , Campina Grande , BrazilBerenika ČermákováUniversidad de Medellín , Medellín , ColombiaAlessandro CermenatiUniversidad de Medellín , Medellín , ColombiaC. DobrigkeitBenemérita Universidad Autónoma de Puebla , Puebla , MéxicoJ. ChudobaCzech Academy of Sciences, Institute of SociologyL. ChytkaPalacky University , Olomouc , Czech RepublicRoger W ClayUniversity of Adelaide , Adelaide , S.A. , AustraliaAgustín Cobos CeruttiUniversidad de Medellín , Medellín , ColombiaRoberta ColalilloUniversità di Napoli "Federico II" , Dipartimento di Fisica "Ettore Pancini" , Napoli , ItalyR. 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 ConvengaUniversidad de Medellín , Medellín , ColombiaDiego Correia dos SantosUniversidade Federal do Rio de Janeiro , Instituto de Física , Rio de Janeiro , RJ , BrazilPedro J. CostaLaboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas -LIP andCorbin CovaultCase Western Reserve University , Cleveland , OH , USAM. CristinzianiUniversidade Federal de Campina Grande , Centro de Ciencias e Tecnologia , Campina Grande , BrazilCarlo Salvattore Cruz SanchezUniversidade Federal de Campina Grande , Centro de Ciencias e Tecnologia , Campina Grande , BrazilS. DassoUniversidad de Medellín , Medellín , ColombiaK. DaumillerUniversidad de Medellín , Medellín , ColombiaB. R. DawsonUniversity of Adelaide , Adelaide , S.A. , AustraliaRogerio M. de AlmeidaUniversidade Federal do Rio de Janeiro , Instituto de Física , Rio de Janeiro , RJ , BrazilEric-Teunis de BooneUniversidade Federal de Campina Grande , Centro de Ciencias e Tecnologia , Campina Grande , BrazilBeatriz de ErricoUniversidade Federal do Rio de Janeiro , Instituto de Física , Rio de Janeiro , RJ , BrazilJoaquín de JesúsUniversidad de Medellín , Medellín , ColombiaS. J. de JongNationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica (NIKHEF) , Science Park , Amster- dam , The NetherlandsJoão de Mello NetoUniversidade Federal do Rio de Janeiro , Instituto de Física , Rio de Janeiro , RJ , BrazilI. De MitriUniversidade Federal de Campina Grande , Centro de Ciencias e Tecnologia , Campina Grande , BrazilJaime de OliveiraInstituto Federal de Educação , Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro (IFRJ) , BrazilDanelise de Oliveira FrancoUniversidad de Medellín , Medellín , ColombiaFrancesco de PalmaUniversità del Salento , Dipartimento di Matematica e Fisica "E. De Giorgi" , Lecce , ItalyVitor de SouzaUniversidade de São Paulo , Instituto de Física de São Carlos , São Carlos , SP , BrazilEmanuele De VitoUniversità del Salento , Dipartimento di Matematica e Fisica "E. De Giorgi" , Lecce , ItalyAntonino Del PopoloOlivier DelignyUniversité Paris-SaclayNikolas DennerCzech Academy of Sciences, Institute of SociologyLuca DevalINFN , Sezione di Torino , Torino , ItalyArmando di MatteoINFN , Sezione di Torino , Torino , ItalyC. DobrigkeitUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP) , IFGW , Campinas , SP , BrazilJuan Carlos D'OlivoUniversidad Nacional Autónoma de México , México , D.F. , México
2025en
ABI

Annotatsiya

Measuring proton-proton interaction cross-sections at center-of-mass energies above 40 TeV remains a significant challenge in particle physics. The Pierre Auger Observatory provides a unique opportunity to study the interactions at the highest energies through the distribution of the depth of maximum shower development ($X_\mathrm{max}$) observed by its Fluorescence Detector. In previous studies, the determination of the interaction cross-section at ultrahigh energies has relied on the assumption that the tail of the $X_\mathrm{max}$ distribution is proton-dominated, which restricts the analysis to a limited energy range below the ankle and introduces related systematic uncertainties. In this contribution, we adopt a novel method for the simultaneous estimation of the proton-proton interaction cross-section and the primary cosmic-ray mass composition using data from the Pierre Auger Observatory, avoiding assumptions about one quantity to infer the other and thus improving the accuracy and robustness of our analysis. In addition, a systematic shift in the $X_\mathrm{max}$ scale is fitted to account for both experimental uncertainties and theoretical constraints on the modeling of particle interactions. The obtained results are consistent with previous analyses and provide additional constraints on hadronic interaction models. The measured proton-proton inelastic cross-section at ultra-high energies agrees well with extrapolations of accelerator data. The inferred cosmic-ray composition and the $X_\mathrm{max}$-scale shift are also compatible with previous estimates.

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