Physics of Extremely High Energy Cosmic Rays

Over the last third of the century, a few tens of events, detected by ground-based cosmic ray detectors, have opened a new window in the field of high-energy astrophysics. These events have macroscopic energies, unobserved sources, an unknown chemical composition and a production and transport mechanism yet to be explained. With a flux as low as one particle per century per square kilometer, only dedicated detectors with huge apertures can bring in the high-quality and statistically significant data needed to answer those questions. In this article, we review the present status of the field both from an experimental and theoretical point of view. Special attention is given to the next generation of detectors devoted to the thorough exploration of the highest energy rangesComment: 43 pages, 12 figures, submitted to International Journal of Modern Physics

Search for coherent elastic neutrino-nucleus scattering at a nuclear reactor with CONNIE 2019 data

The Coherent Neutrino-Nucleus Interaction Experiment (CONNIE) is taking data at the Angra 2 nuclear reactor with the aim of detecting the coherent elastic scattering of reactor antineutrinos with silicon nuclei using charge-coupled devices (CCDs). In 2019 the experiment operated with a hardware binning applied to the readout stage, leading to lower levels of readout noise and improving the detection threshold down to 50 eV. The results of the analysis of 2019 data are reported here, corresponding to the detector array of 8 CCDs with a fiducial mass of 36.2 g and a total exposure of 2.2 kg-days. The difference between the reactor-on and reactor-off spectra shows no excess at low energies and yields upper limits at 95% confidence level for the neutrino interaction rates. In the lowest-energy range, 50 − 180 eV, the expected limit stands at 34 (39) times the standard model prediction, while the observed limit is 66 (75) times the standard model prediction with Sarkis (Chavarria) quenching factors

Aspects on the shape dependence with energy of point-like events in high resistivity CCDs

Fully depleted thick CCDs have been designed for infrared astronomy, but their low read-out noise of the order of approximately 2 e− and their considerable mass of approximately 5.2gr, allows novel uses for them in low energy threshold particle detection applications, such as the CONNIE and DAMIC experiments. In both experiments, the neutrinos or WIMPS will generate e-h pairs in a volume much less than the pixel size, they will produce events like points in the output image, of less than 10 pixels. Is well understood that one of the factors that define the size of the events is the diffusion process. In this work we will demonstrate with experimental results and through simulation, that there is also a dependence of the size with the amount of charge generated by the event, due to charge repulsion effects.Fil: Fernández Moroni, Guillermo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages". Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages"; ArgentinaFil: Sofo Haro, Miguel Francisco. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Tiffemberg, Javier. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Paolini, Eduardo Emilio. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas; ArgentinaFil: Estrada, Juan. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Bertou, Xavier Pierre Louis. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Cancelo, Gustavo Indalecio. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados Unidos8th Latin American Symposium on Circuits & SystemsBarilocheArgentinaInstitute of Electrical and Electronics Engineer

DAMIC at SNOLAB

We introduce the fully-depleted charge-coupled device (CCD) as a particle detector. We demonstrate its low energy threshold operation, capable of detecting ionizing energy depositions in a single pixel down to 50 eVee. We present results of energy calibrations from 0.3 keVee to 60 keVee, showing that the CCD is a fully active detector with uniform energy response throughout the silicon target, good resolution (Fano ~0.16), and remarkable linear response to electron energy depositions. We show the capability of the CCD to localize the depth of particle interactions within the silicon target. We discuss the mode of operation and unique imaging capabilities of the CCD, and how they may be exploited to characterize and suppress backgrounds. We present the first results from the deployment of 250 um thick CCDs in SNOLAB, a prototype for the upcoming DAMIC100. DAMIC100 will have a target mass of 0.1 kg and should be able to directly test the CDMS-Si signal within a year of operation.Comment: 13 pages, 12 figures, proceedings prepared for 13th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP2013

Sites for gamma-ray astronomy in Argentina

We have searched for possible sites in Argentina for the installation of large air Cherenkov telescope arrays and water Cherenkov systems. At present seven candidates are identified at altitudes from 2500 to 4500 m. The highest sites are located at the NW of the country, in La Puna. Sites at 2500 and 3100 m are located in the West at El Leoncito Observatory, with excellent infrastructure. A description of these candidate sites is presented with emphasis on infrastructure and climatology.Fil: Rovero, Adrian Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; ArgentinaFil: Romero, Gustavo Esteban. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas. Instituto Argentino de Radioastronomía. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto Argentino de Radioastronomía; ArgentinaFil: Allekotte, Ingomar. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Bertou, Xavier Pierre Louis. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Colombo, E.. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Constituyentes; ArgentinaFil: Etchegoyen, A.. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Constituyentes; ArgentinaFil: Garcia, B.. Universidad Tecnológica Nacional; ArgentinaFil: Garcia Lambas, Diego Rodolfo. Universidad Nacional de Córdoba; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Astronomía Teórica y Experimental. Universidad Nacional de Córdoba. Observatorio Astronómico de Córdoba. Instituto de Astronomía Teórica y Experimental; ArgentinaFil: Levato, Orlando Hugo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Complejo Astronómico "El Leoncito". Universidad Nacional de Córdoba. Complejo Astronómico "El Leoncito". Universidad Nacional de la Plata. Complejo Astronómico "El Leoncito". Universidad Nacional de San Juan. Complejo Astronómico "El Leoncito"; ArgentinaFil: Medina, M. C.. Centre National de la Recherche Scientifique. Observatoire de Paris; FranciaFil: Muriel, Hernan. Universidad Nacional de Córdoba; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Astronomía Teórica y Experimental. Universidad Nacional de Córdoba. Observatorio Astronómico de Córdoba. Instituto de Astronomía Teórica y Experimental; ArgentinaFil: Recabarren, Pablo Genaro Antonio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Astronomía Teórica y Experimental. Universidad Nacional de Córdoba. Observatorio Astronómico de Córdoba. Instituto de Astronomía Teórica y Experimental; Argentina. Universidad Nacional de Córdoba; Argentin

Searching for millicharged particles with 1 kg of Skipper-CCDs using the NuMI beam at Fermilab

Oscura is a planned light-dark matter search experiment using Skipper-CCDs with a total active mass of 10 kg. As part of the detector development, the collaboration plans to build the Oscura Integration Test (OIT), an engineering test with 10% of the total mass. Here we discuss the early science opportunities with the OIT to search for millicharged particles (mCPs) using the NuMI beam at Fermilab. mCPs would be produced at low energies through photon-mediated processes from decays of scalar, pseudoscalar, and vector mesons, or direct Drell-Yan productions. Estimates show that the OIT would be a world-leading probe for mCPs in the ∼MeV mass range

Skipper-CCD sensors for the Oscura experiment: requirements and preliminary tests

Oscura is a proposed multi-kg skipper-CCD experiment designed for a dark matter (DM) direct detection search that will reach unprecedented sensitivity to sub-GeV DM-electron interactions with its 10 kg detector array. Oscura is planning to operate at SNOLAB with 2070 m overburden, and aims to reach a background goal of less than one event in each electron bin in the 2-10 electron ionization-signal region for the full 30 kg-year exposure, with a radiation background rate of 0.01 dru.[1 dru (differential rate unit) corresponds to 1 event/kg/day/keV.] In order to achieve this goal, Oscura must address each potential source of background events, including instrumental backgrounds. In this work, we discuss the main instrumental background sources and the strategy to control them, establishing a set of constraints on the sensors' performance parameters. We present results from the tests of the first fabricated Oscura prototype sensors, evaluate their performance in the context of the established constraints and estimate the Oscura instrumental background based on these results

Testing effects of Lorentz invariance violation in the propagation of astroparticles with the Pierre Auger Observatory

Lorentz invariance violation (LIV) is often described by dispersion relations of the form E i2 = m i2+p i2+δi,n E 2+n with delta different based on particle type i, with energy E, momentum p and rest mass m. Kinematics and energy thresholds of interactions are modified once the LIV terms become comparable to the squared masses of the particles involved. Thus, the strongest constraints on the LIV coefficients δi,n tend to come from the highest energies. At sufficiently high energies, photons produced by cosmic ray interactions as they propagate through the Universe could be subluminal and unattenuated over cosmological distances. Cosmic ray interactions can also be modified and lead to detectable fingerprints in the energy spectrum and mass composition observed on Earth. The data collected at the Pierre Auger Observatory are therefore possibly sensitive to both the electromagnetic and hadronic sectors of LIV. In this article, we explore these two sectors by comparing the energy spectrum and the composition of cosmic rays and the upper limits on the photon flux from the Pierre Auger Observatory with simulations including LIV. Constraints on LIV parameters depend strongly on the mass composition of cosmic rays at the highest energies. For the electromagnetic sector, while no constraints can be obtained in the absence of protons beyond 1019 eV, we obtain δγ,0 > -10-21, δγ,1 > -10-40 eV-1 and δγ,2 > -10-58 eV-2 in the case of a subdominant proton component up to 1020 eV. For the hadronic sector, we study the best description of the data as a function of LIV coefficients and we derive constraints in the hadronic sector such as δhad,0 < 10-19, δhad,1 < 10-38 eV-1 and δhad,2 < 10-57 eV-2 at 5σ CL.Fil: The Pierre Auger Collaboration. The Pierre Auger Observatory; Estados UnidosFil: Rovero, Adrian Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; ArgentinaFil: Scornavacche, Marina Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Karlsruher Institut für Technologie; AlemaniaFil: Perlin, Matias. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Karlsruher Institut für Technologie; AlemaniaFil: González, Nicolás Martín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Université Libre de Bruxelles; BélgicaFil: Botti, Ana Martina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Gollan Scilipotti, Fernando Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Figueira, Juan Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Supanitsky, Alberto Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; ArgentinaFil: Gesualdi, Flavia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Karlsruher Institut für Technologie; AlemaniaFil: Cobos Cerutti, Agustin Cleto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional; ArgentinaFil: Mariazzi, Analisa Gabriela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física La Plata. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física La Plata; ArgentinaFil: Kizakke Covilakam, Varada Varma. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina. Karlsruher Institut für Technologie; AlemaniaFil: Micheletti, Maria Isabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Física de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Instituto de Física de Rosario; ArgentinaFil: Rovero, Adrian Carlos. Consejo Nacional de Investigaciónes Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; ArgentinaFil: Bonifazi, Carla Brenda. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Ciencias Físicas. - Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Ciencias Físicas; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología. Centro Internacional de Estudios Avanzados; ArgentinaFil: Binet, Maria Virginia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Física de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Instituto de Física de Rosario; ArgentinaFil: Bertou, Xavier Pierre Louis. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Use of water-Cherenkov detectors to detect Gamma-Ray-Bursts at the Large Aperture GRB Observatory (LAGO)

The Large Aperture GRB Observatory (LAGO) project aims at the detection of high energy photons from Gamma Ray Bursts (GRB) using the single particle technique in ground-based water-Cherenkov detectors (WCD). To reach a reasonable sensitivity, high altitude mountain sites have been selected in Mexico (Sierra Negra, 4550 m a.s.l.), Bolivia (Chacaltaya, 5300 m a.s.l.) and Venezuela (Me´ rida, 4765 m a.s.l.). We report on detector calibration and operation at high altitude, search for bursts in 4 months of preliminary data, as well as search for signal at ground level when satellites report a burst.Fil: Allard, D.. Université Paris Diderot - Paris 7; FranciaFil: Allekotte, Ingomar. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Alvarez, C.. Facultad de Ciencias Fısico-Matematicas; MéxicoFil: Asorey, Hernán Gonzalo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Barros, H.. Universidad Simon Bolivar; VenezuelaFil: Bertou, Xavier Pierre Louis. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Burgoa, O.. Instituto de Investigaciones Fisicas; BoliviaFil: Gomez Berisso, Mariano. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Martinez, O.. Facultad de Ciencias Fısico-Matematicas; MéxicoFil: Miranda Loza, P.. Instituto de Investigaciones Fısicas; BoliviaFil: Murrieta, T.. Facultad de Ciencias Fısico-Matematicas; MéxicoFil: Perez, G.. Facultad de Ciencias Fısico-Matematicas; MéxicoFil: Rivera, H.. Instituto de Investigaciones Fısicas; BoliviaFil: Rovero, Adrian Carlos. Consejo Nacional de Investigaciónes Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; ArgentinaFil: Saavedra, O.. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; ItaliaFil: Salazar, H.. Facultad de Ciencias Fısico-Matematicas ; MéxicoFil: Tello, J. C.. Universidad Simon Bolıvar; VenezuelaFil: Ticona Peralda, R.. Instituto de Investigaciones Fısicas; BoliviaFil: Velarde, A.. Instituto de Investigaciones Fısicas; BoliviaFil: Villaseñor, L.. Universidad de Michoacan; MéxicoFil: Areso, Omar Antonio. Consejo Nacional de Investigaciónes Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; ArgentinaFil: Arnaldi, Luis Horacio. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Dasso, Sergio Ricardo. Consejo Nacional de Investigaciónes Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; ArgentinaFil: Gonzalez, M.. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Gulisano, Adriana Maria. Consejo Nacional de Investigaciónes Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; ArgentinaFil: Martin, R.. Ministerio de Relaciones Exteriores, Comercio Interno y Culto. Dirección Nacional del Antártico. Instituto Antártico Argentino; ArgentinaFil: Masías Meza, Jimmy Joel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Sidelnik, Iván Pedro. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Alvarez, W.. Universidad de San Carlos; GuatemalaFil: The LAGO Collaboration