Mass composition of ultra-high energy cosmic rays : a study based on elongation rate of depth of shower maximum measured at the Pierre Auger Observatory

Abstract

An analysis of the mass composition of UHECRs based on the Xmax elongation rate (ER) within the energy range 10^{17.8} -10^{20.0} eV is performed, using Xmax data collected by the Pierre Auger Observatory from December 2004 to December 2012. The development of ER with energy is investigated by estimating the ER and the rate of change of ER with energy in sliding windows. In order to make it easier to observe the effect of a change in the proton fraction on the overall primary cosmic ray composition, the data has been truncated into "light" and "heavy" components based on a cut on the Xmax value above which 50% of helium showers produced with EPOS-LHC survive. The "light" component should be dominated by proton and helium nuclei. The behavior of the ER of the "light" part potentially allows one to distinguish changes in the mass composition from changes in the properties of hadronic interactions. The rate of change of ER with energy is observed to be negative and differs from zero for lg(E/eV) approx 18.2-18.5 by approx 3 sigma: primary mass is increasing and the rate of change of primary mass might not be constant. The increase in primary mass might be mostly due to a reduction of the fraction of protons. The "heavy" subset seems to be consistent with a constant primary mass. An interpretation of the data as being due to a pure proton composition with an unexpectedly large increase in interaction cross-section might be in tension with the behavior of ER of the "light" component.

Es wird eine Analyse der Massenzusammensetzung der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung vorgestellt, die auf der Xmax-Elongationsrate (ER) im Energiebereich 10^{17.8} - 10^{20.0} eV basiert und Daten des Pierre-Auger-Observatoriums verwendet, die zwischen Dezember 2004 und Dezember 2012 aufgenommen wurden. Die Entwicklung der ER mit der Energie wird untersucht, indem die ER und die Änderungsrate der ER mit der Energie in kleinen Energiebins bestimmt wird. Um die Beobachtung des Effekts einer Änderung im Anteil von Protonen an der gesamten primären Massenzusammensetzung zu erleichtern, wurden die Daten in eine "leichte" und eine "schwere" Komponente eingeteilt mit Hilfe eines Schnitts auf Xmax, der so definiert ist, dass 50% der mit EPOS-LHC simulierten Helium-Luftschauer überleben. Die "leichte" Komponente sollte durch Protonen und Helium-Kerne dominiert sein. Die Untersuchung der ER der "leichten" Komponente ermöglicht es, Änderungen der Massenzusammensetzung und Änderungen in den Eigenschaften der hadronischen Wechselwirkungen zu unterscheiden. Die berechnete Änderungsrate der ER mit der Energie ist negativ und verschieden von Null für lg(E/eV) approx 18.2-18.5 mit einer Signifikanz von approx 3 sigma: Die primäre Masse steigt und es gibt Hinweise auf eine nicht konstante Änderungsrate der primaren Masse. Der Anstieg der primären Masse kann vorwiegend aus einer Verringerung des Protonanteils resultieren. Die "schwere" Komponente scheint verträglich mit einer konstanten primären Masse zu sein. Eine Interpretation der Daten als reine Proton-Zusammensetzung mit einem unerwartet starken Anstieg des Wechselwirkungsquerschnitts scheint im Widerspruch zu stehen zum beobachtenen Verhalten der "leichten" Komponente.