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

Combined fit to the spectrum and composition data measured by the Pierre Auger Observatory including magnetic horizon effects

The measurements by the Pierre Auger Observatory of the energy spectrum and mass composition of cosmic rays can be interpreted assuming the presence of two extragalactic source populations, one dominating the flux at energies above a few EeV and the other below. To fit the data ignoring magnetic field effects, the high-energy population needs to accelerate a mixture of nuclei with very hard spectra, at odds with the approximate E$^{-2}$ shape expected from diffusive shock acceleration. The presence of turbulent extragalactic magnetic fields in the region between the closest sources and the Earth can significantly modify the observed CR spectrum with respect to that emitted by the sources, reducing the flux of low-rigidity particles that reach the Earth. We here take into account this magnetic horizon effect in the combined fit of the spectrum and shower depth distributions, exploring the possibility that a spectrum for the high-energy population sources with a shape closer to E$^{-2}$ be able to explain the observations

Extraction of the Muon Signals Recorded with the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory Using Recurrent Neural Networks

We present a method based on the use of Recurrent Neural Networks to extract the muon component from the time traces registered with water-Cherenkov detector (WCD) stations of the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory. The design of the WCDs does not allow to separate the contribution of muons to the time traces obtained from the WCDs from those of photons, electrons and positrons for all events. Separating the muon and electromagnetic components is crucial for the determination of the nature of the primary cosmic rays and properties of the hadronic interactions at ultra-high energies. We trained a neural network to extract the muon and the electromagnetic components from the WCD traces using a large set of simulated air showers, with around 450 000 simulated events. For training and evaluating the performance of the neural network, simulated events with energies between 1018.5, eV and 1020 eV and zenith angles below 60 degrees were used. We also study the performance of this method on experimental data of the Pierre Auger Observatory and show that our predicted muon lateral distributions agree with the parameterizations obtained by the AGASA collaboration

A search for ultra-high-energy photons at the Pierre Auger Observatory exploiting air-shower universality

The Pierre Auger Observatory is the most sensitive detector to primary photons with energies above ∼0.2 EeV. It measures extensive air showers using a hybrid technique that combines a fluorescence detector (FD) with a ground array of particle detectors (SD). The signatures of a photon-induced air shower are a larger atmospheric depth at the shower maximum (X$_{max}$) and a steeper lateral distribution function, along with a lower number of muons with respect to the bulk of hadron-induced background. Using observables measured by the FD and SD, three photon searches in different energy bands are performed. In particular, between threshold energies of 1-10 EeV, a new analysis technique has been developed by combining the FD-based measurement of X$_{max}$ with the SD signal through a parameter related to its muon content, derived from the universality of the air showers. This technique has led to a better photon/hadron separation and, consequently, to a higher search sensitivity, resulting in a tighter upper limit than before. The outcome of this new analysis is presented here, along with previous results in the energy ranges below 1 EeV and above 10 EeV. From the data collected by the Pierre Auger Observatory in about 15 years of operation, the most stringent constraints on the fraction of photons in the cosmic flux are set over almost three decades in energy