Measurement of the cosmic-ray energy spectrum above 2.5 x 1018 eV using the Pierre Auger Observatory

被引:112
作者
Aab, A. [1 ]
Abreu, P. [2 ,3 ]
Aglietta, M. [4 ,5 ]
Albury, J. M. [6 ]
Allekotte, I [7 ,8 ]
Almela, A. [9 ,10 ]
Castillo, J. Alvarez [11 ]
Alvarez-Muniz, J. [12 ]
Batista, R. Alves [1 ]
Anastasi, G. A. [5 ,13 ]
Anchordoqui, L. [14 ]
Andrada, B. [9 ]
Andringa, S. [2 ,3 ]
Aramo, C. [15 ]
Ferreira, P. R. Araujo [16 ]
Asorey, H. [9 ]
Assis, P. [2 ,3 ]
Avila, G. [17 ,18 ]
Badescu, A. M. [19 ]
Bakalova, A. [20 ]
Balaceanu, A. [21 ]
Barbato, F. [15 ,22 ]
Luz, R. J. Barreira [2 ,3 ]
Becker, K. H. [23 ]
Bellido, J. A. [6 ]
Berat, C. [24 ]
Bertaina, M. E. [5 ,13 ]
Bertou, X. [7 ,8 ]
Biermann, P. L. [25 ]
Bister, T. [16 ]
Biteau, J. [26 ]
Blanco, A. [2 ,3 ]
Blazek, J. [20 ]
Bleve, C. [24 ]
Bohacova, M. [20 ]
Boncioli, D. [27 ,28 ]
Bonifazi, C. [29 ]
Arbeletche, L. Bonneau [30 ]
Borodai, N. [31 ]
Botti, A. M. [9 ]
Brack, J. [32 ]
Bretz, T. [16 ]
Briechle, F. L. [16 ]
Buchholz, P. [33 ]
Bueno, A. [34 ,35 ]
Buitink, S. [36 ]
Buscemi, M. [37 ,38 ]
Caballero-Mora, K. S. [39 ]
Caccianiga, L. [40 ,41 ]
Calcagni, L. [42 ,43 ]
机构
[1] Radboud Univ Nijmegen, IMAPP, Nijmegen, Netherlands
[2] Univ Lisboa UL, Lab Instrumentacao & Fis Expt Particulas LIP, Lisbon, Portugal
[3] Univ Lisboa UL, Inst Super Tecn IST, Lisbon, Portugal
[4] Osservatorio Astrofis Torino INAF, Turin, Italy
[5] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Torino, Turin, Italy
[6] Univ Adelaide, Adelaide, SA, Australia
[7] Ctr Atom Bariloche, San Carlos De Bariloche, Rio Negro, Argentina
[8] Inst Balseiro CNEA UNCuyo CONICET, San Carlos De Bariloche, Rio Negro, Argentina
[9] UNSAM, Inst Tecnol Detecc & Astroparticulas, CONICET, CNEA, Buenos Aires, DF, Argentina
[10] Univ Tecnol Nacl, Fac Reg Buenos Aires, Buenos Aires, DF, Argentina
[11] Univ Nacl Autonoma Mexico, Mexico City, DF, Mexico
[12] Univ Santiago de Compostela, Inst Galego Fis Altas Enerxias IGFAE, Santiago De Compostela, Spain
[13] Univ Torino, Dipartimento Fis, Turin, Italy
[14] CUNY, Dept Phys & Astron, Lehman Coll, Bronx, NY USA
[15] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Napoli, Naples, Italy
[16] Rhein Westfal TH Aachen, Phys Inst A 3, Aachen, Germany
[17] Observ Pierre Auger, Malargue, Argentina
[18] Comis Nacl Energia Atom, Malargue, Argentina
[19] Univ Politehn Bucuresti, Bucharest, Romania
[20] Czech Acad Sci, Inst Phys, Prague, Czech Republic
[21] Horia Hulubei Natl Inst Phys & Nucl Engn, Bucharest, Romania
[22] Univ Napoli Federico II, Dipartimento Fis Ettore Pancini, Naples, Italy
[23] Berg Univ Wuppertal, Dept Phys, Wuppertal, Germany
[24] Univ Grenoble Alpes, Grenoble Inst Engn, CNRS, LPSC IN2P3, F-38000 Grenoble, France
[25] Max Planck Inst Radioastron, Bonn, Germany
[26] Univ Paris Saclay, IJCLab, CNRS, IN2P3, Orsay, France
[27] Univ Aquila, Dipartimento Sci Fis & Chim, Laquila, Italy
[28] Ist Nazl Fis Nucl, Lab Nazl Gran Sasso, Laquila, Italy
[29] Univ Fed Rio de Janeiro, Inst Fis, Rio De Janeiro, RJ, Brazil
[30] Univ Sao Paulo, Inst Fis, Sao Paulo, SP, Brazil
[31] Inst Nucl Phys PAN, Krakow, Poland
[32] Colorado State Univ, Ft Collins, CO 80523 USA
[33] Univ Siegen, Fachbereich Phys Expt Teilchenphys 7, Siegen, Germany
[34] Univ Granada, Granada, Spain
[35] CAFPE, Granada, Spain
[36] Vrije Univ Brussels, Brussels, Belgium
[37] Univ Catania, Dipartimento Fis & Astron, Catania, Italy
[38] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Catania, Catania, Italy
[39] Univ Autonoma Chiapas, Tuxtla Gutierrez, Chiapas, Mexico
[40] Univ Milan, Dipartimento Fis, Milan, Italy
[41] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Milano, Milan, Italy
[42] Univ Nacl La Plata, IFLP, La Plata, Argentina
[43] Consejo Nacl Invest Cient & Tecn, La Plata, Argentina
[44] Natl Inst Kernfys Hoge Energie Fys NIKHEF, Sci Pk, Amsterdam, Netherlands
[45] Univ Sao Paulo, Escola Engn Lorena, Lorena, SP, Brazil
[46] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Lecce, Lecce, Italy
[47] Univ Estadual Campinas, IFGW, Campinas, SP, Brazil
[48] Palacky Univ, RCPTM, Olomouc, Czech Republic
[49] UNSAM, CONICET, CNEA, Inst Tecnol Detect & Astroparticulas, Mendoza, Argentina
[50] Univ Tecnol Nacl, Fac Reg Mendoza, CONICET, CNEA, Mendoza, Argentina
基金
巴西圣保罗研究基金会; 美国国家科学基金会; 澳大利亚研究理事会;
关键词
FLUORESCENCE; SHOWERS; ANISOTROPY; EMISSION; DETECTOR;
D O I
10.1103/PhysRevD.102.062005
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
We report a measurement of the energy spectrum of cosmic rays for energies above 2.5 x 10(18) eV based on 215,030 events recorded with zenith angles below 60 degrees. A key feature of the work is that the estimates of the energies are independent of assumptions about the unknown hadronic physics or of the primary mass composition. The measurement is the most precise made hitherto with the accumulated exposure being so large that the measurements of the flux are dominated by systematic uncertainties except at energies above 5 x 10(19) eV. The principal conclusions are (1) The flattening of the spectrum near 5 x 10(18) eV, the so-called "ankle," is confirmed. (2) The steepening of the spectrum at around 5 x 10(19) eV is confirmed. (3) A new feature has been identified in the spectrum: in the region above the ankle the spectral index gamma of the particle flux (proportional to E-gamma) changes from 2.51 +/- 0.03 (stat) +/- 0.05 (syst) to 3.05 +/- 0.05 (stat) +/- 0.10 (syst) before changing sharply to 5.1 +/- 0.3 (stat) +/- 0.1 (syst) above 5 x 10(19) eV. (4) No evidence for any dependence of the spectrum on declination has been found other than a mild excess from the Southern Hemisphere that is consistent with the anisotropy observed above 8 x 10(18) eV.
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[1]   The Pierre Auger Cosmic Ray Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albert, J. N. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Aranda, V. M. ;
Argiro, S. ;
Arisaka, K. ;
Arneodo, F. ;
Arqueros, F. ;
Asch, T. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Awal, N. ;
Badescu, A. M. ;
Balzer, M. ;
Barber, K. B. ;
Barbosa, A. ;
Barenthien, N. ;
Barkhausen, M. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
BenZvi, S. ;
Berat, C. ;
Bergmann, T. ;
Bertaina, M. E. ;
Biermann, P. L. ;
Bilhaut, R. ;
Billoir, P. .
NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, 2015, 798 :172-213
[2]   Data-driven estimation of the invisible energy of cosmic ray showers with the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Albury, J. M. ;
Allekotte, I ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Bakalova, A. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Baur, S. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Caccianiga, L. ;
Calcagni, L. .
PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (08)
[3]   Large-scale Cosmic-Ray Anisotropies above 4 EeV Measured by the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Albury, J. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Baur, S. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Caccianiga, L. ;
Calcagni, L. ;
Cancio, A. ;
Canfora, F. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2018, 868 (01)
[4]   An Indication of Anisotropy in Arrival Directions of Ultra-high-energy Cosmic Rays through Comparison to the Flux Pattern of Extragalactic Gamma-Ray Sources [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Caccianiga, L. ;
Cancio, A. ;
Canfora, F. ;
Caruso, R. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2018, 853 (02)
[5]   Inferences on mass composition and tests of hadronic interactions from 0.3 to 100 EeV using the water-Cherenkov detectors of the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
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. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, 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. .
PHYSICAL REVIEW D, 2017, 96 (12)
[6]   Impact of atmospheric effects on the energy reconstruction of air showers observed by the surface detectors of the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Castillo, J. Alvarez ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andradas, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arqueros, F. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, 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. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2017, 12
[7]   Depth of maximum of air-shower profiles at the Pierre Auger Observatory. II. Composition implications [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Aranda, V. M. ;
Arqueros, F. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Awal, N. ;
Badescu, A. M. ;
Barber, K. B. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertania, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
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Blanco, M. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Bonino, R. ;
Borodai, N. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. .
PHYSICAL REVIEW D, 2014, 90 (12)
[8]   Depth of maximum of air-shower profiles at the Pierre Auger Observatory. I. Measurements at energies above 1017.8 eV [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Aranda, V. M. ;
Arqueros, F. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Awal, N. ;
Badescu, A. M. ;
Barber, K. B. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blaess, S. ;
Blanco, M. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Bonino, R. ;
Borodai, N. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. .
PHYSICAL REVIEW D, 2014, 90 (12)
[9]   Reconstruction of inclined air showers detected with the pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahlers, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arqueros, F. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Barber, K. B. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blanco, F. ;
Blanco, M. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Bonino, R. ;
Borodai, N. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Brogueira, P. ;
Brown, W. C. .
JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2014, (08)
[10]   First observation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin suppression [J].
Abbasi, R. U. ;
Abu-Zayyad, T. ;
Allen, M. ;
Amman, J. F. ;
Archbold, G. ;
Belov, K. ;
Belz, J. W. ;
Ben Zvi, S. Y. ;
Bergman, D. R. ;
Blake, S. A. ;
Brusova, O. A. ;
Burt, G. W. ;
Cannon, C. ;
Cao, Z. ;
Connolly, B. C. ;
Deng, W. ;
Fedorova, Y. ;
Finley, C. B. ;
Gray, R. C. ;
Hanlon, W. F. ;
Hoffman, C. M. ;
Holzscheiter, M. H. ;
Hughes, G. ;
Huentemeyer, P. ;
Jones, B. F. ;
Jui, C. C. H. ;
Kim, K. ;
Kirn, M. A. ;
Loh, E. C. ;
Maestas, M. M. ;
Manago, N. ;
Marek, L. J. ;
Martens, K. ;
Matthews, J. A. J. ;
Matthews, J. N. ;
Moore, S. A. ;
O'Neill, A. ;
Painter, C. A. ;
Perera, L. ;
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Roberts, M. ;
Rodriguez, D. ;
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PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2008, 100 (10)