Evidence for a mixed mass composition at the 'ankle' in the cosmic-ray spectrum

Journal
Date Issued
2016
Author(s)
Aab, A.
•
Abreu, P.
•
•
Ahn, E. J.
•
Al Samarai, I.
•
Albuquerque, I. F. M.
•
Allekotte, I.
•
Allison, P.
•
Almela, A.
•
Alvarez Castillo, J.
•
Alvarez-Muñiz, J.
•
Ambrosio, M.
•
Anastasi, G. A.
•
Anchordoqui, L.
•
Andrada, B.
•
Andringa, S.
•
Aramo, C.
•
Arqueros, F.
•
Arsene, N.
•
Asorey, H.
•
Assis, P.
•
Aublin, J.
•
Avila, G.
•
Badescu, A. M.
•
Balaceanu, A.
•
Baus, C.
•
Beatty, J. J.
•
Becker, K. H.
•
Bellido, J. A.
•
Berat, C.
•
Bertaina, M. E.
•
Biermann, P. L.
•
Billoir, P.
•
Biteau, J.
•
Blaess, S. G.
•
Blanco, A.
•
Blazek, J.
•
Bleve, C.
•
Boháčová, M.
•
Boncioli, D.
•
Bonifazi, C.
•
Borodai, N.
•
Botti, A. M.
•
Brack, J.
•
Brancus, I.
•
Bretz, T.
•
Bridgeman, A.
•
Briechle, F. L.
•
Buchholz, P.
•
Bueno, A.
•
Buitink, S.
•
Buscemi, M.
•
Caballero-Mora, K. S.
•
Caccianiga, B.
•
Caccianiga, L.
•
Cancio, A.
•
Canfora, F.
•
Caramete, L.
•
Caruso, R.
•
•
Cataldi, G.
•
Cazon, L.
•
Cester, R.
•
Chavez, A. G.
•
Chiavassa, A.
•
Chinellato, J. A.
•
Chudoba, J.
•
Clay, R. W.
•
Colalillo, R.
•
Coleman, A.
•
Collica, L.
•
Coluccia, M. R.
•
Conceição, R.
•
Contreras, F.
•
Cooper, M. J.
•
Coutu, S.
•
Covault, C. E.
•
Cronin, J.
•
Dallier, R.
•
D'Amico, S.
•
Daniel, B.
•
Dasso, S.
•
Daumiller, K.
•
Dawson, B. R.
•
de Almeida, R. M.
•
de Jong, S. J.
•
De Mauro, G.
•
de Mello Neto, J. R. T.
•
De Mitri, I.
•
de Oliveira, J.
•
de Souza, V.
•
Debatin, J.
•
del Peral, L.
•
Deligny, O.
•
Di Giulio, C.
•
Di Matteo, A.
•
Díaz Castro, M. L.
•
Diogo, F.
•
Dobrigkeit, C.
•
D'Olivo, J. C.
•
Dorofeev, A.
•
dos Anjos, R. C.
•
Dova, M. T.
•
Dundovic, A.
•
Ebr, J.
•
Engel, R.
•
Erdmann, M.
•
Erfani, M.
•
Escobar, C. O.
•
Espadanal, J.
•
Etchegoyen, A.
•
Falcke, H.
•
Fang, K.
•
Farrar, G.
•
Fauth, A. C.
•
Fazzini, N.
•
Fick, B.
•
Figueira, J. M.
•
Filevich, A.
•
Filipčič, A.
•
Fratu, O.
•
Freire, M. M.
•
Fujii, T.
•
Fuster, A.
•
García, B.
•
Garcia-Pinto, D.
•
Gaté, F.
•
Gemmeke, H.
•
Gherghel-Lascu, A.
•
Ghia, P. L.
•
Giaccari, U.
•
Giammarchi, M.
•
Giller, M.
•
Głas, D.
•
Glaser, C.
•
Glass, H.
•
Golup, G.
•
Gómez Berisso, M.
•
Gómez Vitale, P. F.
•
González, N.
•
Gookin, B.
•
Gordon, J.
•
•
Gorham, P.
•
Gouffon, P.
•
Grillo, A. F.
•
Grubb, T. D.
•
Guarino, F.
•
Guedes, G. P.
•
Hampel, M. R.
•
Hansen, P.
•
Harari, D.
•
Harrison, T. A.
•
Harton, J. L.
•
Hasankiadeh, Q.
•
Haungs, A.
•
Hebbeker, T.
•
Heck, D.
•
Heimann, P.
•
Herve, A. E.
•
Hill, G. C.
•
Hojvat, C.
•
Holt, E.
•
Homola, P.
•
Hörandel, J. R.
•
Horvath, P.
•
Hrabovský, M.
•
Huege, T.
•
Hulsman, J.
•
Insolia, A.
•
Isar, P. G.
•
Jandt, I.
•
Jansen, S.
•
Johnsen, J. A.
•
Josebachuili, M.
•
Kääpä, A.
•
Kambeitz, O.
•
Kampert, K. H.
•
Kasper, P.
•
Katkov, I.
•
Keilhauer, B.
•
Kemp, E.
•
Kieckhafer, R. M.
•
Klages, H. O.
•
Kleifges, M.
•
Kleinfeller, J.
•
Krause, R.
•
Krohm, N.
•
Kuempel, D.
•
Kukec Mezek, G.
•
Kunka, N.
•
Kuotb Awad, A.
•
LaHurd, D.
•
Latronico, L.
•
Lauscher, M.
•
Lautridou, P.
•
Lebrun, P.
•
Legumina, R.
•
Leigui de Oliveira, M. A.
•
Letessier-Selvon, A.
•
Lhenry-Yvon, I.
•
Link, K.
•
Lopes, L.
•
López, R.
•
López Casado, A.
•
Luce, Q.
•
Lucero, A.
•
Malacari, M.
•
Mallamaci, M.
•
Mandat, D.
•
Mantsch, P.
•
Mariazzi, A. G.
•
Mariș, I. C.
•
Marsella, G.
•
Martello, D.
•
Martinez, H.
•
Martínez Bravo, O.
•
Masías Meza, J. J.
•
Mathes, H. J.
•
Mathys, S.
•
Matthews, J.
•
Matthews, J. A. J.
•
Matthiae, G.
•
Mayotte, E.
•
Mazur, P. O.
•
Medina, C.
•
Medina-Tanco, G.
•
Melo, D.
•
Menshikov, A.
•
•
Micheletti, M. I.
•
Middendorf, L.
•
Minaya, I. A.
•
Miramonti, L.
•
Mitrica, B.
•
Mockler, D.
•
Molina-Bueno, L.
•
Mollerach, S.
•
Montanet, F.
•
Morello, C.
•
Mostafá, M.
•
Müller, G.
•
Muller, M. A.
•
Müller, S.
•
Naranjo, I.
•
Navas, S.
•
Nellen, L.
•
Neuser, J.
•
Nguyen, P. H.
•
Niculescu-Oglinzanu, M.
•
Niechciol, M.
•
Niemietz, L.
•
Niggemann, T.
•
Nitz, D.
•
Nosek, D.
•
Novotny, V.
•
Nožka, H.
•
Núñez, L. A.
•
Ochilo, L.
•
Oikonomou, F.
•
Olinto, A.
•
Pakk Selmi-Dei, D.
•
Palatka, M.
•
Pallotta, J.
•
Papenbreer, P.
•
Parente, G.
•
Parra, A.
•
Paul, T.
•
Pech, M.
•
Pedreira, F.
•
Pȩkala, J.
•
Pelayo, R.
•
Peña-Rodriguez, J.
•
Pereira, L. A. S.
•
Perrone, L.
•
Peters, C.
•
Petrera, S.
•
Phuntsok, J.
•
Piegaia, R.
•
Pierog, T.
•
Pieroni, P.
•
Pimenta, M.
•
Pirronello, V.
•
Platino, M.
•
Plum, M.
•
Porowski, C.
•
Prado, R. R.
•
Privitera, P.
•
Prouza, M.
•
Quel, E. J.
•
Querchfeld, S.
•
Quinn, S.
•
Ramos-Pollant, R.
•
Rautenberg, J.
•
Ravel, O.
•
Ravignani, D.
•
Reinert, D.
•
Revenu, B.
•
Ridky, J.
•
Risse, M.
•
Ristori, P.
•
Rizi, V.
•
Rodrigues de Carvalho, W.
•
Rodriguez Fernandez, G.
•
Rodriguez Rojo, J.
•
Rodríguez-Frías, M. D.
•
Rogozin, D.
•
Rosado, J.
•
Roth, M.
•
Roulet, E.
•
Rovero, A. C.
•
Saffi, S. J.
•
Saftoiu, A.
•
Salazar, H.
•
Saleh, A.
•
Salesa Greus, F.
•
Salina, G.
•
Sanabria Gomez, J. D.
•
Sánchez, F.
•
Sanchez-Lucas, P.
•
Santos, E. M.
•
Santos, E.
•
Sarazin, F.
•
Sarkar, B.
•
Sarmento, R.
•
Sarmiento-Cano, C.
•
Sato, R.
•
Scarso, C.
•
Schauer, M.
•
Scherini, V.
•
Schieler, H.
•
Schmidt, D.
•
Scholten, O.
•
Schovánek, P.
•
Schröder, F. G.
•
Schulz, A.
•
Schulz, J.
•
Schumacher, J.
•
Sciutto, S. J.
•
•
Settimo, M.
•
Shadkam, A.
•
Shellard, R. C.
•
Sigl, G.
•
Silli, G.
•
Sima, O.
•
Śmiałkowski, A.
•
Šmída, R.
•
Snow, G. R.
•
Sommers, P.
•
Sonntag, S.
•
Sorokin, J.
•
Squartini, R.
•
Stanca, D.
•
Stanič, S.
•
Stasielak, J.
•
Strafella, F.
•
Suarez, F.
•
Suarez Durán, M.
•
Sudholz, T.
•
Suomijärvi, T.
•
Supanitsky, A. D.
•
Sutherland, M. S.
•
Swain, J.
•
Szadkowski, Z.
•
Taborda, O. A.
•
Tapia, A.
•
Tepe, A.
•
Theodoro, V. M.
•
Timmermans, C.
•
Todero Peixoto, C. J.
•
Tomankova, L.
•
Tomé, B.
•
Tonachini, A.
•
Torralba Elipe, G.
•
Torres Machado, D.
•
Torri, M.
•
Travnicek, P.
•
Trini, M.
•
Ulrich, R.
•
Unger, M.
•
Urban, M.
•
Valbuena-Delgado, A.
•
Valdés Galicia, J. F.
•
Valiño, I.
•
Valore, L.
•
van Aar, G.
•
van Bodegom, P.
•
van den Berg, A. M.
•
van Vliet, A.
•
Varela, E.
•
Vargas Cárdenas, B.
•
Varner, G.
•
Vázquez, J. R.
•
Vázquez, R. A.
•
Veberič, D.
•
Verzi, V.
•
Vicha, J.
•
Villaseñor, L.
•
Vorobiov, S.
•
Wahlberg, H.
•
Wainberg, O.
•
Walz, D.
•
Watson, A. A.
•
Weber, M.
•
Weindl, A.
•
Wiencke, L.
•
Wilczyński, H.
•
Winchen, T.
•
Wittkowski, D.
•
Wundheiler, B.
•
Wykes, S.
•
Yang, L.
•
Yelos, D.
•
Younk, P.
•
Yushkov, A.
•
Zas, E.
•
Zavrtanik, D.
•
Zavrtanik, M.
•
Zepeda, A.
•
Zimmermann, B.
•
Ziolkowski, M.
•
Zong, Z.
•
•
Pierre Auger Collaboration
DOI
Abstract
We report a first measurement for ultrahigh energy cosmic rays of the correlation between the depth of shower maximum and the signal in the water Cherenkov stations of air-showers registered simultaneously by the fluorescence and the surface detectors of the Pierre Auger Observatory. Such a correlation measurement is a unique feature of a hybrid air-shower observatory with sensitivity to both the electromagnetic and muonic components. It allows an accurate determination of the spread of primary masses in the cosmic-ray flux. Up till now, constraints on the spread of primary masses have been dominated by systematic uncertainties. The present correlation measurement is not affected by systematics in the measurement of the depth of shower maximum or the signal in the water Cherenkov stations. The analysis relies on general characteristics of air showers and is thus robust also with respect to uncertainties in hadronic event generators. The observed correlation in the energy range around the 'ankle' at lg ⁡ (E /eV) = 18.5- 19.0 differs significantly from expectations for pure primary cosmic-ray compositions. A light composition made up of proton and helium only is equally inconsistent with observations. The data are explained well by a mixed composition including nuclei with mass A > 4. Scenarios such as the proton dip model, with almost pure compositions, are thus disfavored as the sole explanation of the ultrahigh-energy cosmic-ray flux at Earth.

Volume
762
Start page
288
Uri
Url
Issn Identifier
0370-2693
Ads BibCode
2016PhLB..762..288A
Rights
open.access
File(s)
Loading...
Thumbnail Image
Name

PLB-DOI_10_1016j_physletb_2016_09_039.pdf

Description
postprint
Size

700.17 KB

Format

Adobe PDF

Checksum (MD5)

aa2f7348a16d459ca020dbbf3e94297f

Loading...
Thumbnail Image
Name

28_September_2016_PLB_Mixed_PublishedVersion.pdf

Description
pdf editoriale
Size

1.73 MB

Format

Adobe PDF

Checksum (MD5)

7565015134195f14b8119575f2df8c4f