Abstract
The hybrid design of the Pierre Auger Observatory allows for the measurement of the properties of extensive air showers initiated by ultra-high energy cosmic rays with unprecedented precision. By using an array of prototype underground muon detectors, we have performed the first direct measurement, by the Auger Collaboration, of the muon content of air showers between 2 × 10 17 and 2 × 10 18 eV. We have studied the energy evolution of the attenuation-corrected muon density, and compared it to predictions from air shower simulations. The observed densities are found to be larger than those predicted by models. We quantify this discrepancy by combining the measurements from the muon detector with those from the Auger fluorescence detector at 1017.5eV and 1018eV. We find that, for the models to explain the data, an increase in the muon density of 38 % ± 4 % (12 %) ±18%21% for EPOS-LHC, and of 50 % (53 %) ± 4 % (13 %) ±20%23% for QGSJetII-04, is respectively needed.
Original language | English |
---|---|
Article number | 751 |
Journal | European Physical Journal C |
Volume | 80 |
Issue number | 8 |
DOIs | |
State | Published - 1 Aug 2020 |
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Dive into the research topics of 'Direct measurement of the muonic content of extensive air showers between 2× 1017 and 2×1018 eV at the Pierre Auger Observatory'. Together they form a unique fingerprint.Cite this
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In: European Physical Journal C, Vol. 80, No. 8, 751, 01.08.2020.
Research output: Contribution to journal › Article › peer-review
TY - JOUR
T1 - Direct measurement of the muonic content of extensive air showers between 2× 1017 and 2×1018 eV at the Pierre Auger Observatory
AU - The Pierre Auger Collaboration
AU - Aab, A.
AU - Abreu, P.
AU - Aglietta, M.
AU - Albury, J. M.
AU - Allekotte, I.
AU - Almela, A.
AU - Alvarez Castillo, J.
AU - Alvarez-Muñiz, J.
AU - Anastasi, G. A.
AU - Anchordoqui, L.
AU - Andrada, B.
AU - Andringa, S.
AU - Aramo, C.
AU - Araújo Ferreira, P. R.
AU - Asorey, H.
AU - Assis, P.
AU - Avila, G.
AU - Badescu, A. M.
AU - Bakalova, A.
AU - Balaceanu, A.
AU - Barbato, F.
AU - Barreira Luz, R. J.
AU - Becker, K. H.
AU - Bellido, J. A.
AU - Berat, C.
AU - Bertaina, M. E.
AU - Bertou, X.
AU - Biermann, P. L.
AU - Bister, T.
AU - Biteau, J.
AU - Blanco, A.
AU - Blazek, J.
AU - Bleve, C.
AU - Boháčová, M.
AU - Boncioli, D.
AU - Bonifazi, C.
AU - Bonneau Arbeletche, L.
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AU - Briechle, F. L.
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AU - Bueno, A.
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AU - Buscemi, M.
AU - Caballero-Mora, K. S.
AU - Caccianiga, L.
AU - Calcagni, L.
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AU - Caracas, I.
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AU - Day, J. A.
AU - de Almeida, R. M.
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AU - de Mello Neto, J. R.T.
AU - De Mitri, I.
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AU - de Oliveira Franco, D.
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AU - dos Anjos, R. C.
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AU - Garcia Vegas, A. L.
AU - Gemmeke, H.
AU - Gesualdi, F.
AU - Gherghel-Lascu, A.
AU - Ghia, P. L.
AU - Giaccari, U.
AU - Giammarchi, M.
AU - Giller, M.
AU - Glombitza, J.
AU - Gobbi, F.
AU - Golup, G.
AU - Gómez Berisso, M.
AU - Gómez Vitale, P. F.
AU - Gongora, J. P.
AU - González, N.
AU - Goos, I.
AU - Góra, D.
AU - Gorgi, A.
AU - Gottowik, M.
AU - Grubb, T. D.
AU - Guarino, F.
AU - Guedes, G. P.
AU - Guido, E.
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AU - Hampel, M. R.
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AU - Harari, D.
AU - Harvey, V. M.
AU - Haungs, A.
AU - Hebbeker, T.
AU - Heck, D.
AU - Hill, G. C.
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AU - Hörandel, J. R.
AU - Horvath, P.
AU - Hrabovský, M.
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AU - Hulsman, J.
AU - Insolia, A.
AU - Isar, P. G.
AU - Johnsen, J. A.
AU - Jurysek, J.
AU - Kääpä, A.
AU - Kampert, K. H.
AU - Keilhauer, B.
AU - Kemp, J.
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AU - Kleifges, M.
AU - Kleinfeller, J.
AU - Köpke, M.
AU - Kukec Mezek, G.
AU - Lago, B. L.
AU - LaHurd, D.
AU - Lang, R. G.
AU - Leigui de Oliveira, M. A.
AU - Lenok, V.
AU - Letessier-Selvon, A.
AU - Lhenry-Yvon, I.
AU - Lo Presti, D.
AU - Lopes, L.
AU - López, R.
AU - López Casado, A.
AU - Lorek, R.
AU - Luce, Q.
AU - Lucero, A.
AU - Machado Payeras, A.
AU - Malacari, M.
AU - Mancarella, G.
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AU - Manning, B. C.
AU - Manshanden, J.
AU - Mantsch, P.
AU - Mariazzi, A. G.
AU - Mariş, I. C.
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AU - Martello, D.
AU - Martinez, H.
AU - Martínez Bravo, O.
AU - Mastrodicasa, M.
AU - Mathes, H. J.
AU - Matthews, J.
AU - Matthiae, G.
AU - Mayotte, E.
AU - Mazur, P. O.
AU - Medina-Tanco, G.
AU - Melo, D.
AU - Menshikov, A.
AU - Merenda, K. D.
AU - Michal, S.
AU - Micheletti, M. I.
AU - Miramonti, L.
AU - Mockler, D.
AU - Mollerach, S.
AU - Montanet, F.
AU - Morello, C.
AU - Mostafá, M.
AU - Müller, A. L.
AU - Muller, M. A.
AU - Müller, S.
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AU - Muzio, M.
AU - Namasaka, W. M.
AU - Nellen, L.
AU - Niculescu-Oglinzanu, M.
AU - Niechciol, M.
AU - Nitz, D.
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AU - Novotny, V.
AU - Nožka, L.
AU - Nucita, A.
AU - Núñez, L. A.
AU - Palatka, M.
AU - Pallotta, J.
AU - Panetta, M. P.
AU - Papenbreer, P.
AU - Parente, G.
AU - Parra, A.
AU - Pech, M.
AU - Pedreira, F.
AU - Pȩkala, J.
AU - Pelayo, R.
AU - Peña-Rodriguez, J.
AU - Perez Armand, J.
AU - Perlin, M.
AU - Perrone, L.
AU - Peters, C.
AU - Petrera, S.
AU - Pierog, T.
AU - Pimenta, M.
AU - Pirronello, V.
AU - Platino, M.
AU - Pont, B.
AU - Pothast, M.
AU - Privitera, P.
AU - Prouza, M.
AU - Puyleart, A.
AU - Querchfeld, S.
AU - Rautenberg, J.
AU - Ravignani, D.
AU - Reininghaus, M.
AU - Ridky, J.
AU - Riehn, F.
AU - Risse, M.
AU - Ristori, P.
AU - Rizi, V.
AU - Rodrigues de Carvalho, W.
AU - Rodriguez Rojo, J.
AU - Roncoroni, M. J.
AU - Roth, M.
AU - Roulet, E.
AU - Rovero, A. C.
AU - Ruehl, P.
AU - Saffi, S. J.
AU - Saftoiu, A.
AU - Salamida, F.
AU - Salazar, H.
AU - Salina, G.
AU - Sanabria Gomez, J. D.
AU - Sánchez, F.
AU - Santos, E. M.
AU - Santos, E.
AU - Sarazin, F.
AU - Sarmento, R.
AU - Sarmiento-Cano, C.
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AU - Schäfer, C.
AU - Scherini, V.
AU - Schieler, H.
AU - Schimassek, M.
AU - Schimp, M.
AU - Schlüter, F.
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AU - Scholten, O.
AU - Schovánek, P.
AU - Schröder, F. G.
AU - Schröder, S.
AU - Sciutto, S. J.
AU - Scornavacche, M.
AU - Shellard, R. C.
AU - Sigl, G.
AU - Silli, G.
AU - Sima, O.
AU - Šmída, R.
AU - Sommers, P.
AU - Soriano, J. F.
AU - Souchard, J.
AU - Squartini, R.
AU - Stadelmaier, M.
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AU - Stanič, S.
AU - Stasielak, J.
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AU - Streich, A.
AU - Suárez-Durán, M.
AU - Sudholz, T.
AU - Suomijärvi, T.
AU - Supanitsky, A. D.
AU - Šupík, J.
AU - Szadkowski, Z.
AU - Taboada, A.
AU - Taborda, O. A.
AU - Tapia, A.
AU - Timmermans, C.
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AU - Todero Peixoto, C. J.
AU - Tomé, B.
AU - Torralba Elipe, G.
AU - Travaini, A.
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AU - Vergara Quispe, I. D.
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AU - Vicha, J.
AU - Villaseñor, L.
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AU - Zavrtanik, M.
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AU - Zepeda, A.
AU - Ziolkowski, M.
AU - Zuccarello, F.
N1 - Funding Information: The successful installation, commissioning, and operation of the Pierre Auger Observatory would not have been possible without the strong commitment and effort from the technical and administrative staff in Malargüe. We are very grateful to the following agencies and organizations for financial support: Argentina – Comisión Nacional de Energía Atómica; Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT); Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET); Gobierno de la Provincia de Mendoza; Municipalidad de Malargüe; NDM Holdings and Valle Las Leñas; in gratitude for their continuing cooperation over land access; Australia – the Australian Research Council; Brazil – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq); Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP); Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Rio de Janeiro (FAPERJ); São Paulo Research Foundation (FAPESP) Grants No. 2019/10151-2, No. 2010/07359-6 and No. 1999/05404-3; Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (MCTIC); Czech Republic – Grant No. MSMT CR LTT18004, LO1305, LM2015038 and CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_013/0001402; France – Centre de Calcul IN2P3/CNRS; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Conseil Régional Ile-de-France; Département Physique Nucléaire et Corpusculaire (PNC-IN2P3/CNRS); Département Sciences de l’Univers (SDU-INSU/CNRS); Institut Lagrange de Paris (ILP) Grant No. LABEX ANR-10-LABX-63 within the Investissements d’Avenir Programme Grant No. ANR-11-IDEX-0004-02; Germany – Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF); Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG); Finanzministerium Baden-Württemberg; Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics (HAP); Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF); Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen; Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst des Landes Baden-Württemberg; Italy – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN); Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF); Ministero dell’Istruzione, dell’Universitá e della Ricerca (MIUR); CETEMPS Center of Excellence; Ministero degli Affari Esteri (MAE); México – Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) No. 167733; Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM); PAPIIT DGAPA-UNAM; The Netherlands – Ministry of Education, Culture and Science; Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO); Dutch national e-infrastructure with the support of SURF Cooperative; Poland -Ministry of Science and Higher Education, grant No. DIR/WK/2018/11; National Science Centre, Grants No. 2013/08/M/ST9/00322, No. 2016/23/B/ST9/01635 and No. HARMONIA 5–2013/10/M/ST9/00062, UMO-2016/22/M/ST9/00198; Portugal – Portuguese national funds and FEDER funds within Programa Operacional Factores de Competitividade through Fundação para a Ciência e a Tecnologia (COMPETE); Romania – Romanian Ministry of Research and Innovation CNCS/CCCDI-UESFISCDI, projects PN-III-P1-1.2-PCCDI-2017-0839/19PCCDI/2018 and PN18090102 within PNCDI III; Slovenia – Slovenian Research Agency, grants P1-0031, P1-0385, I0-0033, N1-0111; Spain – Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (FPA2017-85114-P and FPA2017-85197-P), Xunta de Galicia (ED431C 2017/07), Junta de Andalucía (SOMM17/6104/UGR), Feder Funds, RENATA Red Nacional Temática de Astropartículas (FPA2015-68783-REDT) and María de Maeztu Unit of Excellence (MDM-2016-0692); USA – Department of Energy, Contracts No. DE-AC02-07CH11359, No. DE-FR02-04ER41300, No. DE-FG02-99ER41107 and No. DE-SC0011689; National Science Foundation, Grant No. 0450696; The Grainger Foundation; Marie Curie-IRSES/EPLANET; European Particle Physics Latin American Network; and UNESCO. Publisher Copyright: © 2020, The Author(s).
PY - 2020/8/1
Y1 - 2020/8/1
N2 - The hybrid design of the Pierre Auger Observatory allows for the measurement of the properties of extensive air showers initiated by ultra-high energy cosmic rays with unprecedented precision. By using an array of prototype underground muon detectors, we have performed the first direct measurement, by the Auger Collaboration, of the muon content of air showers between 2 × 10 17 and 2 × 10 18 eV. We have studied the energy evolution of the attenuation-corrected muon density, and compared it to predictions from air shower simulations. The observed densities are found to be larger than those predicted by models. We quantify this discrepancy by combining the measurements from the muon detector with those from the Auger fluorescence detector at 1017.5eV and 1018eV. We find that, for the models to explain the data, an increase in the muon density of 38 % ± 4 % (12 %) ±18%21% for EPOS-LHC, and of 50 % (53 %) ± 4 % (13 %) ±20%23% for QGSJetII-04, is respectively needed.
AB - The hybrid design of the Pierre Auger Observatory allows for the measurement of the properties of extensive air showers initiated by ultra-high energy cosmic rays with unprecedented precision. By using an array of prototype underground muon detectors, we have performed the first direct measurement, by the Auger Collaboration, of the muon content of air showers between 2 × 10 17 and 2 × 10 18 eV. We have studied the energy evolution of the attenuation-corrected muon density, and compared it to predictions from air shower simulations. The observed densities are found to be larger than those predicted by models. We quantify this discrepancy by combining the measurements from the muon detector with those from the Auger fluorescence detector at 1017.5eV and 1018eV. We find that, for the models to explain the data, an increase in the muon density of 38 % ± 4 % (12 %) ±18%21% for EPOS-LHC, and of 50 % (53 %) ± 4 % (13 %) ±20%23% for QGSJetII-04, is respectively needed.
UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85089537583&partnerID=8YFLogxK
U2 - 10.1140/epjc/s10052-020-8055-y
DO - 10.1140/epjc/s10052-020-8055-y
M3 - Artículo
AN - SCOPUS:85089537583
SN - 1434-6044
VL - 80
JO - European Physical Journal C
JF - European Physical Journal C
IS - 8
M1 - 751
ER -