Inference of the Mass Composition of Cosmic Rays with Energies from 10<SUP>18.5</SUP> to 10<SUP>20</SUP> eV Using the Pierre Auger Observatory and Deep Learning

Halim, A. Abdul; Abreu, P.; Aglietta, M.; Allekotte, I.; Almeida Cheminant, K.; Almela, A.; Aloisio, R.; Alvarez-Muniz, J.; Ammerman Yebra, J.; Anastasi, G. A.; Anchordoqui, L.; Andrada, B.; Dourado, L. Andrade; Andringa, S.; Apollonio, L.; Aramo, C.; Ferreira, P. R. Araujo; Arnone, E.; Arteaga Velazquez, J. C.; Assis, P.; Avila, G.; Avocone, E.; Bakalova, A.; Barbato, F.; Mocellin, A. Bartz; Berat, C.; Bertaina, M. E.; Bhatta, G.; Bianciotto, M.; Biermann, P. L.; Binet, V.; Bismark, K.; Bister, T.; Biteau, J.; Blazek, J.; Bleve, C.; Bluemer, J.; Bohacova, 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.; Buesken, 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.; Cermakova, B.; Cermenati, A.; Chinellato, J. A.; Chudoba, J.; Chytka, L.; Clay, R. W.; Cobos Cerutti, A. C.; Colalillo, R.; Coluccia, M. R.; Conceicao, 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 Jesus, J.; de Jong, S. J.; de Mello Neto, J. R. T.; De Mitri, I.; de Oliveira, J.; Franco, D. de Oliveira; 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.; Filipcic, A.; Fitoussi, T.; Flaggs, B.; Fodran, T.; Fujii, T.; Fuster, A.; Galea, C.; Garcia, B.; Gaudu, C.; Gherghel-Lascu, A.; Ghia, P. L.; Giaccari, U.; Glombitza, J.; Gobbi, F.; Gollan, F.; Golup, G.; Gomez Berisso, M.; Gomez Vitale, P. F.; Gongora, J. P.; Gonzalez, J. M.; Gonzalez, N.; Gora, D.; Gorgi, A.; Gottowik, M.; Guarino, F.; Guedes, G. P.; Guido, E.; Guelzow, L.; Hahn, S.; Hamal, P.; Hampel, M. R.; Hansen, P.; Harari, D.; Harvey, V. M.; Haungs, A.; Hebbeker, T.; Hojvat, C.; Horandel, J. R.; Horvath, P.; Hrabovsky, M.; Huege, T.; Insolia, A.; Isar, P. G.; Janecek, P.; Jilek, V.; Johnsen, J. A.; Jurysek, J.; Kampert, K. -H.; Keilhauer, B.; Khakurdikar, A.; Covilakam, V. V. Kizakke; Klages, H. O.; Kleifges, M.; Knapp, F.; Koehler, 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.; Maris, I. C.; Marsella, G.; Martello, D.; Martinelli, S.; Martinez 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.; Nozka, L.; Nucita, A.; Nunez, L. A.; Oliveira, C.; Palatka, M.; Pallotta, J.; Panja, S.; Parente, G.; Paulsen, T.; Pawlowsky, J.; Pech, M.; Pekala, J.; Pelayo, R.; Pelgrims, V.; Pereira, L. A. S.; Pereira Martins, E. E.; Erez Bertolli, C. P.; Perrone, L.; Petrera, S.; Petrucci, C.; Pierog, T.; Pimenta, M.; Platino, M.; Pont, B.; Pothast, M.; Shahvar, M. Pourmohammad; 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.; de Carvalho, W. Rodrigues; 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.; Sanchez, F.; Santos, E. M.; Santos, E.; Sarazin, F.; Sarmento, R.; Sato, R.; Savina, P.; Schaefer, C. M.; Scherini, V.; Schieler, H.; Schimassek, M.; Schimp, M.; Schmidt, D.; Scholten, O.; Schoorlemmer, H.; Schovanek, P.; Schroeder, 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.; Smida, R.; Sommers, P.; Squartini, R.; Stadelmaier, M.; Stanic, S.; Stasielak, J.; Stassi, P.; Straehnz, S.; Straub, M.; Suomijarvi, T.; Supanitsky, A. D.; Svozilikova, Z.; Szadkowski, Z.; Tairli, F.; Tapia, A.; Taricco, C.; Timmermans, C.; Tkachenko, O.; Tobiska, P.; Todero Peixoto, C. J.; Tome, B.; Torres, Z.; Travaini, A.; Travnicek, P.; Tueros, M.; Unger, M.; Uzeiroska, R.; Vaclavek, L.; Vacula, M.; Valdes Galicia, J. F.; Valore, L.; Varela, E.; Vasickova, V.; Vasquez-Ramirez, A.; Veberic, D.; Vergara Quispe, I. D.; Verzi, V.; Vicha, J.; Vink, J.; Vorobiov, S.; Watanabe, C.; Watson, A. A.; Weindl, A.; Wiencke, L.; Wilczynski, H.; Wittkowski, D.; Wundheiler, B.; Yue, B.; Yushkov, A.; Zapparrata, O.; Zas, E.; Zavrtanik, D.; Zavrtanik, M.

Full text
Author(s): Show less -	Halim, A. Abdul ; Abreu, P. ; Aglietta, M. ; Allekotte, I. ; Almeida Cheminant, K. ; Almela, A. ; Aloisio, R. ; Alvarez-Muniz, J. ; Ammerman Yebra, J. ; Anastasi, G. A. ; Anchordoqui, L. ; Andrada, B. ; Dourado, L. Andrade ; Andringa, S. ; Apollonio, L. ; Aramo, C. ; Ferreira, P. R. Araujo ; Arnone, E. ; Arteaga Velazquez, J. C. ; Assis, P. ; Avila, G. ; Avocone, E. ; Bakalova, A. ; Barbato, F. ; Mocellin, A. Bartz ; Berat, C. ; Bertaina, M. E. ; Bhatta, G. ; Bianciotto, M. ; Biermann, P. L. ; Binet, V. ; Bismark, K. ; Bister, T. ; Biteau, J. ; Blazek, J. ; Bleve, C. ; Bluemer, J. ; Bohacova, 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. ; Buesken, 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. ; Cermakova, B. ; Cermenati, A. ; Chinellato, J. A. ; Chudoba, J. ; Chytka, L. ; Clay, R. W. ; Cobos Cerutti, A. C. ; Colalillo, R. ; Coluccia, M. R. ; Conceicao, 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 Jesus, J. ; de Jong, S. J. ; de Mello Neto, J. R. T. ; De Mitri, I. ; de Oliveira, J. ; Franco, D. de Oliveira ; 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. ; Filipcic, A. ; Fitoussi, T. ; Flaggs, B. ; Fodran, T. ; Fujii, T. ; Fuster, A. ; Galea, C. ; Garcia, B. ; Gaudu, C. ; Gherghel-Lascu, A. ; Ghia, P. L. ; Giaccari, U. ; Glombitza, J. ; Gobbi, F. ; Gollan, F. ; Golup, G. ; Gomez Berisso, M. ; Gomez Vitale, P. F. ; Gongora, J. P. ; Gonzalez, J. M. ; Gonzalez, N. ; Gora, D. ; Gorgi, A. ; Gottowik, M. ; Guarino, F. ; Guedes, G. P. ; Guido, E. ; Guelzow, L. ; Hahn, S. ; Hamal, P. ; Hampel, M. R. ; Hansen, P. ; Harari, D. ; Harvey, V. M. ; Haungs, A. ; Hebbeker, T. ; Hojvat, C. ; Horandel, J. R. ; Horvath, P. ; Hrabovsky, M. ; Huege, T. ; Insolia, A. ; Isar, P. G. ; Janecek, P. ; Jilek, V. ; Johnsen, J. A. ; Jurysek, J. ; Kampert, K. -H. ; Keilhauer, B. ; Khakurdikar, A. ; Covilakam, V. V. Kizakke ; Klages, H. O. ; Kleifges, M. ; Knapp, F. ; Koehler, 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. ; Maris, I. C. ; Marsella, G. ; Martello, D. ; Martinelli, S. ; Martinez 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. ; Nozka, L. ; Nucita, A. ; Nunez, L. A. ; Oliveira, C. ; Palatka, M. ; Pallotta, J. ; Panja, S. ; Parente, G. ; Paulsen, T. ; Pawlowsky, J. ; Pech, M. ; Pekala, J. ; Pelayo, R. ; Pelgrims, V. ; Pereira, L. A. S. ; Pereira Martins, E. E. ; Erez Bertolli, C. P. ; Perrone, L. ; Petrera, S. ; Petrucci, C. ; Pierog, T. ; Pimenta, M. ; Platino, M. ; Pont, B. ; Pothast, M. ; Shahvar, M. Pourmohammad ; 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. ; de Carvalho, W. Rodrigues ; 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. ; Sanchez, F. ; Santos, E. M. ; Santos, E. ; Sarazin, F. ; Sarmento, R. ; Sato, R. ; Savina, P. ; Schaefer, C. M. ; Scherini, V. ; Schieler, H. ; Schimassek, M. ; Schimp, M. ; Schmidt, D. ; Scholten, O. ; Schoorlemmer, H. ; Schovanek, P. ; Schroeder, 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. ; Smida, R. ; Sommers, P. ; Squartini, R. ; Stadelmaier, M. ; Stanic, S. ; Stasielak, J. ; Stassi, P. ; Straehnz, S. ; Straub, M. ; Suomijarvi, T. ; Supanitsky, A. D. ; Svozilikova, Z. ; Szadkowski, Z. ; Tairli, F. ; Tapia, A. ; Taricco, C. ; Timmermans, C. ; Tkachenko, O. ; Tobiska, P. ; Todero Peixoto, C. J. ; Tome, B. ; Torres, Z. ; Travaini, A. ; Travnicek, P. ; Tueros, M. ; Unger, M. ; Uzeiroska, R. ; Vaclavek, L. ; Vacula, M. ; Valdes Galicia, J. F. ; Valore, L. ; Varela, E. ; Vasickova, V. ; Vasquez-Ramirez, A. ; Veberic, D. ; Vergara Quispe, I. D. ; Verzi, V. ; Vicha, J. ; Vink, J. ; Vorobiov, S. ; Watanabe, C. ; Watson, A. A. ; Weindl, A. ; Wiencke, L. ; Wilczynski, H. ; Wittkowski, D. ; Wundheiler, B. ; Yue, B. ; Yushkov, A. ; Zapparrata, O. ; Zas, E. ; Zavrtanik, D. ; Zavrtanik, M. Total Authors: 366
Document type:	Journal article
Source:	Physical Review Letters; v. 134, n. 2, p. 10-pg., 2025-01-13.
Abstract
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) 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 +/- 0.6(stat) +/- 1(syst) EeV, 11 +/- 2(stat)+/- 1(syst)EeV, and 31 +/- 5(stat)+/- 3(syst)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. (AU)

FAPESP's process:	10/07359-6 - Study of cosmic rays of highest energies with the Pierre Auger Observatory
Grantee:	Carola Dobrigkeit Chinellato
Support Opportunities:	Research Projects - Thematic Grants


FAPESP's process:	99/05404-3 - Pierre Auger Observatory
Grantee:	Carlos Ourivio Escobar
Support Opportunities:	Research Projects - Thematic Grants


FAPESP's process:	19/10151-2 - Study of Ultra-High Energy Cosmic Rays with the Pierre Auger Observatory upgrade AugerPrime
Grantee:	Carola Dobrigkeit Chinellato
Support Opportunities:	Special Projects

Short URL