Inference of the Mass Composition of Cosmic Rays with Energies from ${10}^{18.5}$ to ${10}^{20}\mathrm{eV}$ Using the Pierre Auger Observatory and Deep Learning

Journal Article · Mon Jan 13 00:00:00 EST 2025 · Physical Review Letters

DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.021001· OSTI ID:2499835

Abdul Halim, A.; Abreu, P.; Aglietta, M.; Allekotte, I.; Almeida Cheminant, K.; Almela, A.; Aloisio, R.; Alvarez-Muñiz, J.; Ammerman Yebra, J.; Anastasi, G. A.; Anchordoqui, L.; Andrada, B.; Andrade Dourado, L.; Andringa, S.; Apollonio, L.; Aramo, C.; Araújo Ferreira, P. R.; Arnone, E.; Arteaga Velázquez, J. C.; Assis, P. ; Avila, G.; Avocone, E.; Bakalova, A.; Barbato, F.; Bartz Mocellin, A.; Berat, C.; Bertaina, M. E.; Bhatta, G.; Bianciotto, M.; Biermann, P. L.; Binet, V.; Bismark, K.; Bister, T.; Biteau, J.; Blazek, J.; Bleve, C.; Blümer, J.; Boháčová, M.; Boncioli, D.; Bonifazi, C.; Bonneau Arbeletche, L.; Borodai, N.; Brack, J.; Brichetto Orchera, P. G.; Briechle, F. L.; Bueno, A.; Buitink, S.; Buscemi, M.; Büsken, M.; Bwembya, A.; Caballero-Mora, K. S.; Cabana-Freire, S.; Caccianiga, L.; Campuzano, F.; Caruso, R.; Castellina, A.; Catalani, F.; Cataldi, G.; Cazon, L.; Cerda, M.; Čermáková, B.; Cermenati, A.; Chinellato, J. A.; Chudoba, J.; Chytka, L.; Clay, R. W.; Cobos Cerutti, A. C.; Colalillo, R.; Coluccia, M. R.; Conceição, R.; Condorelli, A.; Consolati, G.; Conte, M.; Convenga, F.; Correia dos Santos, D.; Costa, P. J.; Covault, C. E.; Cristinziani, M.; Cruz Sanchez, C. S.; Dasso, S.; Daumiller, K.; Dawson, B. R.; de Almeida, R. M.; de Errico, B.; de Jesús, J.; de Jong, S. J.; de Mello Neto, J. R. T.; De Mitri, I.; de Oliveira, J.; de Oliveira Franco, D.; de Palma, F.; de Souza, V.; De Vito, E.; Del Popolo, A.; Deligny, O.; Denner, N.; Deval, L.; di Matteo, A.; do, J. A.; Dobre, M.; Dobrigkeit, C.; D’Olivo, J. C.; Domingues Mendes, L. M.; Dorosti, Q.; dos Anjos, J. C.; dos Anjos, R. C.; Ebr, J.; Ellwanger, F.; Emam, M.; Engel, R.; Epicoco, I.; Erdmann, M.; Etchegoyen, A.; Evoli, C.; Falcke, H.; Farrar, G.; Fauth, A. C.; Fehler, T.; Feldbusch, F.; Fenu, F.; Fernandes, A.; Fick, B.; Figueira, J. M.; Filip, P.; Filipčič, A.; Fitoussi, T.; Flaggs, B.; Fodran, T.; Fujii, T.; Fuster, A.; Galea, C.; García, B.; Gaudu, C.; Gherghel-Lascu, A.; Ghia, P. L.; Giaccari, U.; Glombitza, J.; Gobbi, F.; Gollan, F.; Golup, G.; Gómez Berisso, M.; Gómez Vitale, P. F.; Gongora, J. P.; González, J. M.; González, N.; Góra, D.; Gorgi, A.; Gottowik, M.; Guarino, F.; Guedes, G. P.; Guido, E.; Gülzow, L.; Hahn, S.; Hamal, P.; Hampel, M. R.; Hansen, P.; Harari, D.; Harvey, V. M.; Haungs, A.; Hebbeker, T.; Hojvat, C.; Hörandel, J. R.; Horvath, P.; Hrabovský, M.; Huege, T.; Insolia, A.; Isar, P. G.; Janecek, P.; Jilek, V.; Johnsen, J. A.; Jurysek, J.; Kampert, K. -H.; Keilhauer, B.; Khakurdikar, A.; Kizakke Covilakam, V. V.; Klages, H. O.; Kleifges, M.; Knapp, F.; Köhler, J.; Krieger, F.; Kunka, N.; Lago, B. L.; Langner, N.; Leigui de Oliveira, M. A.; Lema-Capeans, Y.; Letessier-Selvon, A.; Lhenry-Yvon, I.; Lopes, L.; Lu, L.; Luce, Q.; Lundquist, J. P.; Machado Payeras, A.; Majercakova, M.; Mandat, D.; Manning, B. C.; Mantsch, P.; Mariani, F. M.; Mariazzi, A. G.; Mariş, I. C.; Marsella, G.; Martello, D.; Martinelli, S.; Martínez Bravo, O.; Martins, M. A.; Mathes, H. -J.; Matthews, J.; Matthiae, G.; Mayotte, E.; Mayotte, S.; Mazur, P. O.; Medina-Tanco, G.; Meinert, J.; Melo, D.; Menshikov, A.; Merx, C.; Michal, S.; Micheletti, M. I.; Miramonti, L.; Mollerach, S.; Montanet, F.; Morejon, L.; Mulrey, K.; Mussa, R.; Namasaka, W. M.; Negi, S.; Nellen, L.; Nguyen, K.; Nicora, G.; Niechciol, M.; Nitz, D.; Nosek, D.; Novotny, V.; Nožka, L.; Nucita, A.; Núñez, L. A.; Oliveira, C.; Palatka, M.; Pallotta, J.; Panja, S.; Parente, G.; Paulsen, T.; Pawlowsky, J.; Pech, M.; Pȩkala, J.; Pelayo, R.; Pelgrims, V.; Pereira, L. A. S.; Pereira Martins, E. E.; Pérez Bertolli, C.; Perrone, L.; Petrera, S.; Petrucci, C.; Pierog, T.; Pimenta, M.; Platino, M.; Pont, B.; Pothast, M.; Pourmohammad Shahvar, M.; Privitera, P.; Prouza, M.; Querchfeld, S.; Rautenberg, J.; Ravignani, D.; Reginatto Akim, J. V.; Reininghaus, M.; Reuzki, A.; Ridky, J.; Riehn, F.; Risse, M.; Rizi, V.; Rodrigues de Carvalho, W.; Rodriguez, E.; Rodriguez Rojo, J.; Roncoroni, M. J.; Rossoni, S.; Roth, M.; Roulet, E.; Rovero, A. C.; Saftoiu, A.; Saharan, M.; Salamida, F.; Salazar, H.; Salina, G.; Sanabria Gomez, J. D.; Sánchez, F.; Santos, E. M.; Santos, E.; Sarazin, F.; Sarmento, R.; Sato, R.; Savina, P.; Schäfer, C. M.; Scherini, V.; Schieler, H.; Schimassek, M.; Schimp, M.; Schmidt, D.; Scholten, O.; Schoorlemmer, H.; Schovánek, P.; Schröder, F. G.; Schulte, J.; Schulz, T.; Sciutto, S. J.; Scornavacche, M.; Sedoski, A.; Segreto, A.; Sehgal, S.; Shivashankara, S. U.; Sigl, G.; Simkova, K.; Simon, F.; Smau, R.; Šmída, R.; Sommers, P.; Squartini, R.; Stadelmaier, M.; Stanič, S.; Stasielak, J.; Stassi, P.; Strähnz, S.; Straub, M.; Suomijärvi, T.; Supanitsky, A. D.; Svozilikova, Z.; Szadkowski, Z.; Tairli, F.; Tapia, A.; Taricco, C.; Timmermans, C.; Tkachenko, O.; Tobiska, P.; Todero Peixoto, C. J.; Tomé, B.; Torrès, Z.; Travaini, A.; Travnicek, P.; Tueros, M.; Unger, M.; Uzeiroska, R.; Vaclavek, L.; Vacula, M.; Valdés Galicia, J. F.; Valore, L.; Varela, E.; Vašíčková, V.; Vásquez-Ramírez, A.; Veberič, D.; Vergara Quispe, I. D.; Verzi, V.; Vicha, J.; Vink, J.; Vorobiov, S.; Watanabe, C.; Watson, A. A.; Weindl, A.; Wiencke, L.; Wilczyński, H.; Wittkowski, D.; Wundheiler, B.; Yue, B.; Yushkov, A.; Zapparrata, O.; Zas, E.; Zavrtanik, D.; Zavrtanik, M.

We present measurements of the atmospheric depth of the shower maximum $X_{\max }$ , inferred for the first time on an event-by-event level using the surface detector of the Pierre Auger Observatory. Using deep learning, we were able to extend measurements of the $X_{\max }$ distributions up to energies of 100 EeV ( ${10}^{20}\mathrm{eV}$ ), not yet revealed by current measurements, providing new insights into the mass composition of cosmic rays at extreme energies. Gaining a 10-fold increase in statistics compared to the fluorescence detector data, we find evidence that the rate of change of the average $X_{\max }$ with the logarithm of energy features three breaks at $6.5\pm 0.6\left(\mathrm{stat}\right)\pm 1\left(\mathrm{syst}\right)\mathrm{EeV}$ , $11\pm 2\left(\mathrm{stat}\right)\pm 1\left(\mathrm{syst}\right)\mathrm{EeV}$ , and $31\pm 5\left(\mathrm{stat}\right)\pm 3\left(\mathrm{syst}\right)\mathrm{EeV}$ , in the vicinity to the three prominent features (ankle, instep, suppression) of the cosmic-ray flux. The energy evolution of the mean and standard deviation of the measured $X_{\max }$ distributions indicates that the mass composition becomes increasingly heavier and purer, thus being incompatible with a large fraction of light nuclei between 50 and 100 EeV.

Published by the American Physical Society 2025

• Research Organization: ABC Federal U.; ASFYON; ASI, Rome; Adelaide U.; Amsterdam U.; Bath U.; Bonn, Max Planck Inst., Radioastron.; Brussels U., IIHE; Bucharest U.; Bucharest, Inst. Space Science; Buenos Aires, CONICET; CEFET, Rio de Janeiro; CEFIMAS, Buenos Aires; CINVESTAV, IPN; Campina Grande Federal U.; Campinas State U.; Case Western Reserve U.; Catania U.; Centro Atomico Bariloche; Charles U.; Chiapas Autonoma U.; Chicago U., EFI; Colorado School of Mines; Colorado State U.; Cracow, INP; Delaware U.; Erlangen - Nuremberg U., ECAP; Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States); GSSI, Aquila; Gran Sasso; Granada U.; Hamburg U., Inst. Theor. Phys. II; IASF, Palermo; ICAS, UNSAM, Buenos Aires; IFMT, Caceres; IJCLab, Orsay; INFN, Aquila; INFN, Catania; INFN, Lecce; INFN, Milan; INFN, Naples; INFN, Rome2; INFN, Turin; ITeDA, Buenos Aires; IUF, Paris; KIT, Karlsruhe, ETP; KIT, Karlsruhe, IAP; KIT, Karlsruhe, IPE; Kapteyn Astron. Inst., Groningen; L'Aquila U.; LIP, Lisbon; LPNHE, Paris; LPSC, Grenoble; La Plata U.; Leeds U.; Lehman Coll.; Lodz U.; Medellin U.; Messina U.; Mexico U., ICN; Michigan Tech. U.; Milan Polytechnic; Milan U.; NASA, Goddard; NIKHEF, Amsterdam; Naples U.; Natl. Tech. U., San Rafael; New York U. (main); Nijmegen U., IMAPP; Nova Gorica U.; OATo, Turin; Osaka City U.; Palacky U.; Palermo U.; Penn State U.; Pierre Auger Observ.; Prague, Inst. Phys.; Puebla U., Inst. Fis.; RWTH Aachen U.; Rio de Janeiro Federal U.; Rio de Janeiro, CBPF; Rome U., Tor Vergata; Rosario U.; Salento U.; San Augustin Natl. U., Arequipa; Santander Industrial U.; Santiago de Compostela U., IGFAE; Sao Paulo U.; Sao Paulo U., Sao Carlos; Siegen U.; Stefan Inst., Ljubljana; Turin U.; U. Sao Paulo (main); U. Tech. Natl., Argentina; UEFS, Feira de Santana; UFOP, Ouro Preto; USTC, Hefei; Vrije U., Amsterdam; Vrije U., Brussels; Wisconsin U., Madison; Wuppertal U.
• Sponsoring Organization: US Department of Energy; USDOE
• Grant/Contract Number: 89243024CSC000002; AC02-07CH11359; FG02-99ER41107; SC0011689
• OSTI ID: 2499835
• Alternate ID(s): OSTI ID: 2468760
• Report Number(s): FERMILAB-PUB-24-0614-PPD-TD; 021001
• Journal Information: Physical Review Letters, Journal Name: Physical Review Letters Journal Issue: 2 Vol. 134; ISSN 0031-9007; ISSN PRLTAO
• Publisher: American Physical Society
• Country of Publication: United States
• Language: English

Related Subjects

46 INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY
79 ASTRONOMY AND ASTROPHYSICS
astroparticle detectors
cosmic ray acceleration
cosmic ray propagation