Study of the mass composition of cosmic rays with the underground muon detector of AMIGA

Abstract

A pesar de varias décadas de estudio, el origen de los rayos cósmicos de ultra-alta energía núcleos ionizados provenientes del espacio exterior que bombardean la atmósfera terrestre con energías superiores a 1017 eV-sigue siendo una de las principales cuestiones abiertas en la física de astropartículas. Sus enormes energías, que superan en órdenes de magnitud a las alcanzadas en los aceleradores de partículas más potentes construidos por el ser humano, son indicativas de los procesos más violentos y extremos de nuestro universo. Dado que su flujo es extremadamente bajo, los rayos cósmicos de ultra-alta energía solo pueden detectarse de manera indirecta mediante la medición de las extensas cascadas atmosféricas de partículas secundarias que producen al interactuar con un núcleo del aire. Por lo tanto, su energía, dirección de llegada y composición en masa (esto es, qué especie nuclear es la que generó la lluvia de partículas) deben inferirse a partir de las señales que las cascadas atmosféricas generan en grandes detectores terrestres, como el Observatorio Pierre Auger. En particular, la composición en masa es de gran importancia, ya que permitiría restringir los escenarios astrofísicos que explican el origen y las fuentes de estas partículas extremadamente energéticas. Uno de los observables más sensibles a la composición en masa en las cascadas atmosféricas es el número de muones producidos en la cascada, los cuales pueden ser medidos directamente mediante detectores subterráneos segmentados de centelleo, como el Detector de Muones Subterráneo (UMD, por sus siglas en inglés) del Observatorio Pierre Auger. En este trabajo, presentamos una medición del contenido de muones en las cascadas atmosféricas dentro del rango de energía de 1017.5 eV a 1018.9 eV utilizando el UMD del Observatorio Pierre Auger. Revisamos y mejoramos el procedimiento existente para reconstruir la función de distribución lateral de los muones a nivel de evento individual. El modelo de verosimilitud utilizado para ajustar la distribución lateral fue ampliado para incluir los efectos del detector—como el ruido, la ineficiencia y los muones corner-clipping—mediante la introducción de modelos probabilísticos con una motivación física. Además, desarrollamos un novedoso método basado en datos para cuantificar y corregir la presencia de muones corner-clipping muones inclinados que pueden generar señales en segmentos adyacentes, dando lugar a un sobreconteo. Hasta ahora, este efecto se abordaba únicamente mediante simulaciones; en este trabajo, demostramos cómo puede estudiarse y corregirse utilizando datos experimentales. El marco metodológico desarrollado aquí, tanto para el modelo de verosimilitud como para la corrección del efecto corner-clipping, es aplicable en general a cualquier tipo de detector segmentado. El contenido de muones medido en este trabajo se comparó con simulaciones de cascadas atmosféricas para inferir la composición en masa. La tendencia de la composición en función de la energía es consistente con la observada utilizando otro observable sensible a la masa del primario—la profundidad atmosférica del máximo de la cascada, Xmax—indicando una transición de elementos pesados a ligeros desde 1017.5 eV hasta aproximadamente 1018.4 eV, donde se observa un cambio hacia elementos más pesados. Sin embargo, la masa absoluta inferida es sistemáticamente más pesada que la predicha a partir de Xmax. Esta discrepancia entre la composición inferida a partir de ambos observables ha sido observada en otros experimentos y se interpreta como un déficit de muones en las simulaciones. Esto sugiere que los modelos hadrónicos actuales utilizados para simular las cascadas atmosféricas—calibrados con datos del LHC y extrapolados a energías más altas—no reproducen de manera consistente todos los aspectos de las cascadas. Encontramos que la discrepancia entre ambos observables se mantiene relativamente constante con la energía hasta 1018.4 eV, pero aumenta gradualmente más allá de ese punto. Aunque el número de eventos por encima de 1018.4 eV sigue siendo bajo, nuestros resultados sugieren que el déficit de muones podría volverse más pronunciado a estas energías, proporcionando información valiosa para el desarrollo y mejora de los modelos de interacciones hadrónicas.

Despite several decades of study, the origin of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs)- ionized nuclei from outer space bombarding the Earth’s atmosphere at energies above 1017 eV-remains a key open question in astroparticle physics. Their enormous energies, exceeding by orders of magnitude those achievable in the most powerful human-made particle accelerators, are indicative of the most violent and extreme processes in our universe. Since their flux is extremely low, UHECRs can only be detected indirectly by measuring the extensive air showers (EAS) of secondary particles they produce when interacting with an air nucleus. Consequently, the energy, arrival direction and mass composition must be inferred from the signals that EAS produce in large ground-based detectors such as the Pierre Auger Observatory. In particular, the mass composition is of utmost importance, as it would help to constrain astrophysical scenarios explaining the origin and sources of these extremely energetic particles. One of the most mass-sensitive EAS observables is the number of muons produced in the shower, which can be directly sampled by underground segmented scintillator detectors, such as the Underground Muon Detector (UMD) of the Pierre Auger Observatory. In this work, we present a measurement of the muon content of air showers within the energy range 1017.5 eV to 1018.9 eV using the Underground Muon Detector (UMD) of the Pierre Auger Observatory. We revisited and improved the existing procedure for reconstructing the lateral distribution function (LDF) of muons at the individual event level. The likelihood model used to fit the LDF was extended to account for detector effects such as detector noise, inefficiency, and corner-clipping muons-by introducing probabilistic models with physical motivation. In addition, we developed a novel data-driven method to quantify and correct for corner-clipping muons-inclined muons that can generate signals in adjacent segments, leading to overcounting. Previously, this effect was addressed solely through simulations; in this work, we demonstrate how it can be studied and corrected using data. The framework developed here, both for the likelihood model and the corner-clipping correction, is generally applicable to any type of segmented detector. The muon content measured in this work was compared to air shower simulations to infer the mass composition. The energy-dependent trend of the inferred mass is consistent with that observed using another mass-sensitive observable—the Depth of shower maximum, Xmax—indicating a transition from heavy to light elements from 1017.5 eV up to ∼ 1018.4 eV, where a break toward heavier elements is observed. However, the absolute mass is systematically heavier than that predicted from Xmax. This discrepancy between the inferred mass from these two observables has been observed in other experiments and is interpreted as a muon deficit in simulations. This suggests that current hadronic models used to simulate air showers—tuned to LHC data and extrapolated to higher energies -do not consistently reproduce all aspects of EAS. We find that the discrepancy between the inferred mass of the two observables remains relatively constant with energy up to 1018.4 eV but gradually increases beyond that point. Although the number of events above 1018.4 eV is still low, our results suggest that the muon deficit may become more pronounced at these energies, providing valuable insights for model builders seeking to improve hadronic interaction models.