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Constraining models for the origin of ultra-high-energy cosmic rays with spectrum, composition, and arrival direction data measured at the Pierre Auger Observatory

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Date
2024
Author
Bister T.; Abdul Halim A.; Abreu P.; Aglietta M.; Allekotte I.; Almeida Cheminant K.; Almela A.; Aloisio R.; Alvarez-Muñiz J.; Ammerman Yebra J.; Anastasi G.A.; Anchordoqui L.; Andrada B.; Andringa S.; Aramo C.; Araújo Ferreira P.R.; Arnone E.; Arteaga Velázquez J.C.; Asorey H.; Assis P.; Avila G.; Avocone E.; Badescu A.M.; Bakalova A.; Balaceanu A.; Barbato F.; Bartz Mocellin A.; Bellido J.A.; Berat C.; Bertaina M.E.; Bhatta G.; Bianciotto M.; Biermann P.L.; Binet V.; Bismark K.; Bister T.; Biteau J.; Blazek J.; Bleve C.; Blümer J.; Boháčová M.; Boncioli D.; Bonifazi C.; Bonneau Arbeletche L.; Borodai N.; Brack J.; Brichetto Orchera P.G.; Briechle F.L.; Bueno A.; Buitink S.; Buscemi M.; Büsken M.; Bwembya A.; Caballero-Mora K.S.; Cabana-Freire S.; Caccianiga L.; Caracas I.; Caruso R.; Castellina A.; Catalani F.; Cataldi G.; Cazon L.; Cerda M.; Cermenati A.; Chinellato J.A.; Chudoba J.; Chytka L.; Clay R.W.; Cobos Cerutti A.C.; Colalillo R.; Coleman A.; Coluccia M.R.; Conceição R.; Condorelli A.; Consolati G.; Conte M.; Convenga F.; Correia dos Santos D.; Costa P.J.; Covault C.E.; Cristinziani M.; Cruz Sanchez C.S.; Dasso S.; Daumiller K.; Dawson B.R.; de Almeida R.M.; de Jesús J.; de Jong S.J.; de Mello Neto J.R.T.; De Mitri I.; de Oliveira J.; de Oliveira Franco D.; de Palma F.; de Souza V.; De Vito E.; Del Popolo A.; Deligny O.; Denner N.; Deval L.; di Matteo A.; Dobre M.; Dobrigkeit C.; D’Olivo J.C.; Domingues Mendes L.M.; dos Anjos J.C.; dos Anjos R.C.; Ebr J.; Ellwanger F.; Emam M.; Engel R.; Epicoco I.; Erdmann M.; Etchegoyen A.; Evoli C.; Falcke H.; Farmer J.; Farrar G.; Fauth A.C.; Fazzini N.; Feldbusch F.; Fenu F.; Fernandes A.; Fick B.; Figueira J.M.; Filipčič A.; Fitoussi T.; Flaggs B.; Fodran T.; Fujii T.; Fuster A.; Galea C.; Galelli C.; García B.; Gaudu C.; Gemmeke H.; Gesualdi F.; Gherghel-Lascu A.; Ghia P.L.; Giaccari U.; Giammarchi M.; Glombitza J.; Gobbi F.; Gollan F.; Golup G.; Gómez Berisso M.; Gómez Vitale P.F.; Gongora J.P.; González J.M.; González N.; Goos I.; 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Morejon L.; Morello C.; Müller A.L.; Mulrey K.; Mussa R.; Muzio M.; Namasaka W.M.; Negi S.; Nellen L.; Nguyen K.; Nicora G.; Niculescu-Oglinzanu M.; Niechciol M.; Nitz D.; Nosek D.; Novotny V.; Nožka L.; Nucita A.; Núñez L.A.; Oliveira C.; Palatka M.; Pallotta J.; Panja S.; Parente G.; Paulsen T.; Pawlowsky J.; Pech M.; Pekala J.; Pelayo R.; Pereira L.A.S.; Pereira Martins E.E.; Perez Armand J.; Pérez Bertolli C.; Perrone L.; Petrera S.; Petrucci C.; Pierog T.; Pimenta M.; Platino M.; Pont B.; Pothast M.; Pourmohammad Shahvar M.; Privitera P.; Prouza M.; Puyleart A.; Querchfeld S.; Rautenberg J.; Ravignani D.; Reininghaus M.; Ridky J.; Riehn F.; Risse M.; Rizi V.; Rodrigues de Carvalho W.; Rodriguez E.; Rodriguez Rojo J.; Roncoroni M.J.; Rossoni S.; Roth M.; Roulet E.; Rovero A.C.; Ruehl P.; Saftoiu A.; Saharan M.; Salamida F.; Salazar H.; Salina G.; Sanabria Gomez J.D.; Sánchez F.; Santos E.M.; Santos E.; Sarazin F.; Sarmento R.; Sato R.; Savina P.; Schäfer C.M.; Scherini V.; Schieler H.; Schimassek M.; Schimp M.; Schlüter F.; Schmidt D.; Scholten O.; Schoorlemmer H.; Schovánek P.; Schröder F.G.; Schulte J.; Schulz T.; Sciutto S.J.; Scornavacche M.; Segreto A.; Sehgal S.; Shivashankara S.U.; Sigl G.; Silli G.; Sima O.; Simon F.; Smau R.; Šmída R.; Sommers P.; Soriano J.F.; Squartini R.; Stadelmaier M.; Stanca D.; Stanič S.; Stasielak J.; Stassi P.; Strähnz S.; Straub M.; Suárez-Durán M.; Suomijärvi T.; Supanitsky A.D.; Svozilikova Z.; Szadkowski Z.; Tapia A.; Taricco C.; Timmermans C.; Tkachenko O.; Tobiska P.; Todero Peixoto C.J.; Tomé B.; Torrès Z.; Travaini A.; Travnicek P.; Trimarelli C.; Tueros M.; Unger M.; Vaclavek L.; Vacula M.; Valdés Galicia J.F.; Valore L.; Varela E.; Vásquez-Ramírez A.; Veberič D.; Ventura C.; Vergara Quispe I.D.; Verzi V.; Vicha J.; Vink J.; Vlastimil J.; Vorobiov S.; Watanabe C.; Watson A.A.; Weindl A.; Wiencke L.; Wilczyński H.; Wittkowski D.; Wundheiler B.; Yue B.; Yushkov A.; Zapparrata O.; Zas E.; Zavrtanik D.; Zavrtanik M.

Citación

       
TY - GEN T1 - Constraining models for the origin of ultra-high-energy cosmic rays with spectrum, composition, and arrival direction data measured at the Pierre Auger Observatory Y1 - 2024 UR - http://hdl.handle.net/11407/8821 PB - et al.; Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) Univeristy of Tokyo; International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP); JPS; Nagoya Convention and Visitors Bureau; Nagoya University AB - The distribution of cosmic-ray arrival directions shows a better agreement with models in which a fraction of the flux is associated with catalogs of nearby source candidates, such as starburst galaxies, than with isotropy. To investigate this further, we use a novel approach, fitting simultaneously the energy spectrum, distributions of shower maxima, and arrival directions at the highest energies measured with the Pierre Auger Observatory. The astrophysical model consists of homogeneously distributed background sources as well as an adaptable contribution from nearby source candidates. Propagation effects and a rigidity-dependent magnetic field blurring are taken into account, producing a rising level of anisotropy with the energy. We demonstrate that a model containing a flux fraction of around 20% from the starburst galaxy catalog at 40 EeV, with a hard, nitrogen-dominated injection spectrum, provides a good description of the data. By investigating a scenario with Cen A as a single source in combination with the homogeneous background, we show that this region of the sky provides the dominant part to the observed anisotropy signal. Models based on jetted active galactic nuclei whose cosmic-ray flux scales with the gamma-ray emission are disfavored. The modeled energy evolution of the arrival directions, the spectra of individual sources, as well as the statistical significance of the results, including the influence of experimental systematic effects, will be discussed in this contribution. © Copyright owned by the author(s) under the terms of the Creative Commons. ER - @misc{11407_8821, author = {}, title = {Constraining models for the origin of ultra-high-energy cosmic rays with spectrum, composition, and arrival direction data measured at the Pierre Auger Observatory}, year = {2024}, abstract = {The distribution of cosmic-ray arrival directions shows a better agreement with models in which a fraction of the flux is associated with catalogs of nearby source candidates, such as starburst galaxies, than with isotropy. To investigate this further, we use a novel approach, fitting simultaneously the energy spectrum, distributions of shower maxima, and arrival directions at the highest energies measured with the Pierre Auger Observatory. The astrophysical model consists of homogeneously distributed background sources as well as an adaptable contribution from nearby source candidates. Propagation effects and a rigidity-dependent magnetic field blurring are taken into account, producing a rising level of anisotropy with the energy. We demonstrate that a model containing a flux fraction of around 20% from the starburst galaxy catalog at 40 EeV, with a hard, nitrogen-dominated injection spectrum, provides a good description of the data. By investigating a scenario with Cen A as a single source in combination with the homogeneous background, we show that this region of the sky provides the dominant part to the observed anisotropy signal. 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To investigate this further, we use a novel approach, fitting simultaneously the energy spectrum, distributions of shower maxima, and arrival directions at the highest energies measured with the Pierre Auger Observatory. The astrophysical model consists of homogeneously distributed background sources as well as an adaptable contribution from nearby source candidates. Propagation effects and a rigidity-dependent magnetic field blurring are taken into account, producing a rising level of anisotropy with the energy. We demonstrate that a model containing a flux fraction of around 20% from the starburst galaxy catalog at 40 EeV, with a hard, nitrogen-dominated injection spectrum, provides a good description of the data. By investigating a scenario with Cen A as a single source in combination with the homogeneous background, we show that this region of the sky provides the dominant part to the observed anisotropy signal. Models based on jetted active galactic nuclei whose cosmic-ray flux scales with the gamma-ray emission are disfavored. The modeled energy evolution of the arrival directions, the spectra of individual sources, as well as the statistical significance of the results, including the influence of experimental systematic effects, will be discussed in this contribution. © Copyright owned by the author(s) under the terms of the Creative Commons. OL Spanish (121)
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Abstract
The distribution of cosmic-ray arrival directions shows a better agreement with models in which a fraction of the flux is associated with catalogs of nearby source candidates, such as starburst galaxies, than with isotropy. To investigate this further, we use a novel approach, fitting simultaneously the energy spectrum, distributions of shower maxima, and arrival directions at the highest energies measured with the Pierre Auger Observatory. The astrophysical model consists of homogeneously distributed background sources as well as an adaptable contribution from nearby source candidates. Propagation effects and a rigidity-dependent magnetic field blurring are taken into account, producing a rising level of anisotropy with the energy. We demonstrate that a model containing a flux fraction of around 20% from the starburst galaxy catalog at 40 EeV, with a hard, nitrogen-dominated injection spectrum, provides a good description of the data. By investigating a scenario with Cen A as a single source in combination with the homogeneous background, we show that this region of the sky provides the dominant part to the observed anisotropy signal. Models based on jetted active galactic nuclei whose cosmic-ray flux scales with the gamma-ray emission are disfavored. The modeled energy evolution of the arrival directions, the spectra of individual sources, as well as the statistical significance of the results, including the influence of experimental systematic effects, will be discussed in this contribution. © Copyright owned by the author(s) under the terms of the Creative Commons.
URI
http://hdl.handle.net/11407/8821
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    Measurement of UHECR energy spectrum with the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array 

    Bergman D.R.; Deligny O.; Fenu F.; Fujii T.; Fujita K.; Kim J.; Lhenry-Yvon I.; Luce Q.; Maris I.; Roth M.; Salamida F.; Tsunesada Y.; Verzi V.; Abdul Halim A.; Abreu P.; Aglietta M.; Allekotte I.; Almeida Cheminant K.; Almela A.; Aloisio R.; Alvarez-Muñiz J.; Ammerman Yebra J.; Anastasi G.A.; Anchordoqui L.; Andrada B.; Andringa S.; Aramo C.; Araújo Ferreira P.R.; Arnone E.; Arteaga Velázquez J.C.; Asorey H.; Assis P.; Avila G.; Avocone E.; Badescu A.M.; Bakalova A.; Balaceanu A.; Barbato F.; Bartz Mocellin A.; Bellido J.A.; Berat C.; Bertaina M.E.; Bhatta G.; Bianciotto M.; Biermann P.L.; Binet V.; Bismark K.; Bister T.; Biteau J.; Blazek J.; Bleve C.; Blümer J.; Bohácová M.; Boncioli D.; Bonifazi C.; Bonneau Arbeletche L.; Borodai N.; Brack J.; Brichetto Orchera P.G.; Briechle F.L.; Bueno A.; Buitink S.; Buscemi M.; Büsken M.; Bwembya A.; Caballero-Mora K.S.; Cabana-Freire S.; Caccianiga L.; Caracas I.; Caruso R.; Castellina A.; Catalani F.; Cataldi G.; Cazon L.; Cerda M.; Cermenati A.; Chinellato J.A.; Chudoba J.; Chytka L.; Clay R.W.; Cobos Cerutti A.C.; Colalillo R.; Coleman A.; Coluccia M.R.; Conceição R.; Condorelli A.; Consolati G.; Conte M.; Convenga F.; dos Santos D.C.; Costa P.J.; Covault C.E.; Cristinziani M.; Cruz Sanchez C.S.; Dasso S.; Daumiller K.; Dawson B.R.; de Almeida R.M.; de Jesús J.; de Jong S.J.; de Mello Neto J.R.T.; De Mitri I.; de Oliveira J.; de Oliveira Franco D.; de Palma F.; de Souza V.; De Vito E.; Del Popolo A.; Deligny O.; Denner N.; Deval L.; di Matteo A.; Dobre M.; Dobrigkeit C.; D'Olivo J.C.; Domingues Mendes L.M.; dos Anjos J.C.; dos Anjos R.C.; Ebr J.; Ellwanger F.; Emam M.; Engel R.; Epicoco I.; Erdmann M.; Etchegoyen A.; Evoli C.; Falcke H.; Farmer J.; Farrar G.; Fauth A.C.; Fazzini N.; Feldbusch F.; Fenu F.; Fernandes A.; Fick B.; Figueira J.M.; Filipcic A.; Fitoussi T.; Flaggs B.; Fodran T.; Fujii T.; Fuster A.; Galea C.; Galelli C.; García B.; Gaudu C.; Gemmeke H.; Gesualdi F.; Gherghel-Lascu A.; Ghia P.L.; Giaccari U.; Giammarchi M.; Glombitza J.; Gobbi F.; Gollan F.; Golup G.; Gómez Berisso M.; Gómez Vitale P.F.; Gongora J.P.; González J.M.; González N.; Goos I.; Góra D.; Gorgi A.; Gottowik M.; Grubb T.D.; Guarino F.; Guedes G.P.; Guido E.; Hahn S.; Hamal P.; Hampel M.R.; Hansen P.; Harari D.; Harvey V.M.; Haungs A.; Hebbeker T.; Hojvat C.; Hörandel J.R.; Horvath P.; Hrabovský M.; Huege T.; Insolia A.; Isar P.G.; Janecek P.; Johnsen J.A.; Jurysek J.; Kääpä A.; Kampert K.H.; Keilhauer B.; Khakurdikar A.; Kizakke Covilakam V.V.; Klages H.O.; Kleifges M.; Knapp F.; Kunka N.; Lago B.L.; Langner N.; Leigui de Oliveira M.A.; Lema-Capeans Y.; Lenok V.; LetessierSelvon A.; Lhenry-Yvon I.; Lo Presti D.; Lopes L.; Lu L.; Luce Q.; Lundquist J.P.; Machado Payeras A.; Majercakova M.; Mandat D.; Manning B.C.; Mantsch P.; Marafico S.; Mariani F.M.; Mariazzi A.G.; Maris I.C.; Marsella G.; Martello D.; Martinelli S.; Martínez Bravo O.; Martins M.A.; Mastrodicasa M.; Mathes H.J.; Matthews J.; Matthiae G.; Mayotte E.; Mayotte S.; Mazur P.O.; Medina-Tanco G.; Meinert J.; Melo D.; Menshikov A.; Merx C.; Michal S.; Micheletti M.I.; Miramonti L.; Mollerach S.; Montanet F.; Morejon L.; Morello C.; Müller A.L.; Mulrey K.; Mussa R.; Muzio M.; Namasaka W.M.; Negi S.; Nellen L.; Nguyen K.; Nicora G.; Niculescu-Oglinzanu M.; Niechciol M.; Nitz D.; Nosek D.; Novotny V.; Nožka L.; Nucita A.; Núñez L.A.; Oliveira C.; Palatka M.; Pallotta J.; Panja S.; Parente G.; Paulsen T.; Pawlowsky J.; Pech M.; Pȩkala J.; Pelayo R.; Pereira L.A.S.; Pereira Martins E.E.; Perez Armand J.; Pérez Bertolli C.; Perrone L.; Petrera S.; Petrucci C.; Pierog T.; Pimenta M.; Platino M.; Pont B.; Pothast M.; Pourmohammad Shahvar M.; Privitera P.; Prouza M.; Puyleart A.; Querchfeld S.; Rautenberg J.; Ravignani D.; Reininghaus M.; Ridky J.; Riehn F.; Risse M.; Rizi V.; de Carvalho W.R.; Rodriguez E.; Rodriguez Rojo J.; Roncoroni M.J.; Rossoni S.; Roth M.; Roulet E.; Rovero A.C.; Ruehl P.; Saftoiu A.; Saharan M.; Salamida F.; Salazar H.; Salina G.; Sanabria Gomez J.D.; Sánchez F.; Santos E.M.; Santos E.; Sarazin F.; Sarmento R.; Sato R.; Savina P.; Schäfer C.M.; Scherini V.; Schieler H.; Schimassek M.; Schimp M.; Schlüter F.; Schmidt D.; Scholten O.; Schoorlemmer H.; Schovánek P.; Schröder F.G.; Schulte J.; Schulz T.; Sciutto S.J.; Scornavacche M.; Segreto A.; Sehgal S.; Shivashankara S.U.; Sigl G.; Silli G.; Sima O.; Simon F.; Smau R.; Šmída R.; Sommers P.; Soriano J.F.; Squartini R.; Stadelmaier M.; Stanca D.; Stanic S.; Stasielak J.; Stassi P.; Strähnz S.; Straub M.; Suárez-Durán M.; Suomijärvi T.; Supanitsky A.D.; Svozilikova Z.; Szadkowski Z.; Tapia A.; Taricco C.; Timmermans C.; Tkachenko O.; Tobiska P.; Todero Peixoto C.J.; Tomé B.; Torrès Z.; Travaini A.; Travnicek P.; Trimarelli C.; Tueros M.; Unger M.; Vaclavek L.; Vacula M.; Valdés Galicia J.F.; Valore L.; Varela E.; Vásquez-Ramírez A.; Veberic D.; Ventura C.; Vergara Quispe I.D.; Verzi V.; Vicha J.; Vink J.; Vlastimil J.; Vorobiov S.; Watanabe C.; Watson A.A.; Weindl A.; Wiencke L.; Wilczynski H.; Wittkowski D.; Wundheiler B.; Yue B.; Yushkov A.; Zapparrata O.; Zas E.; Zavrtanik D.; Zavrtanik M.; Abbasi R.U.; Abe Y.; Abu-Zayyad T.; Allen M.; Arai Y.; Arimura R.; Barcikowski E.; Belz J.W.; Bergman D.R.; Blake S.A.; Buckland I.; Cheon B.G.; Chikawa M.; Fedynitch A.; Fujii T.; Fujisue K.; Fujita K.; Fujiwara R.; Fukushima M.; Furlich G.; Gerber Z.; Globus N.; Hanlon W.; Hayashida N.; He H.; Hibi R.; Hibino K.; Higuchi R.; Honda K.; Ikeda D.; Inoue N.; Ishii T.; Ito H.; Ivanov D.; Iwasaki A.; Jeong H.M.; Jeong S.; Jui C.C.H.; Kadota K.; Kakimoto F.; Kalashev O.; Kasahara K.; Kasami S.; Kawachi Y.; Kawakami S.; Kawata K.; Kharuk I.; Kido E.; Kim H.B.; Kim J.H.; Kim S.W.; Kimura Y.; Komae I.; Komori K.; Kusumori Y.; Kuznetsov M.; Kwon Y.J.; Lee K.H.; Lee M.J.; Lubsandorzhiev B.; Lundquist J.P.; Matsuyama T.; Matthews J.A.; Matthews J.N.; Mayta R.; Miyashita K.; Mizuno K.; Mori M.; Murakami M.; Myers I.; Nagataki S.; Nakahara M.; Nakai K.; Nakamura T.; Nishio E.; Nonaka T.; Ogio S.; Ohoka H.; Okazaki N.; Oku Y.; Okuda T.; Omura Y.; Onishi M.; Ono M.; Oshima A.; Oshima H.; Ozawa S.; Park I.H.; Park K.Y.; Potts M.; Pshirkov M.S.; Remington J.; Rodriguez D.C.; Rott C.; Rubtsov G.I.; Ryu D.; Sagawa H.; Saito R.; Sakaki N.; Sako T.; Sakurai N.; Sato D.; Sato K.; Sato S.; Sekino K.; Shah P.D.; Shibata N.; Shibata T.; Shikita J.; Shimodaira H.; Shin B.K.; Shin H.S.; Shinto D.; Smith J.D.; Sokolsky P.; Stokes B.T.; Stroman T.A.; Takagi Y.; Takahashi K.; Takamura M.; Takeda M.; Takeishi R.; Taketa A.; Takita M.; Tameda Y.; Tanaka K.; Tanaka M.; Thomas S.B.; Thomson G.B.; Tinyakov P.; Tkachev I.; Tokuno H.; Tomida T.; Troitsky S.; Tsuda R.; Tsunesada Y.; Udo S.; Urban F.; Vaiman I.A.; Warren D.; Wong T.; Yamazaki K.; Yashiro K.; Yoshida F.; Zhezher Y.; Zundel Z. (et al.; Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) Univeristy of Tokyo; International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP); JPS; Nagoya Convention and Visitors Bureau; Nagoya UniversityFacultad de Ciencias Básicas, 2024)
    The measurement of the energy spectrum of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) is of crucial importance to clarify their origin, acceleration mechanisms, and propagation processes in interGalactic and Galactic space. The ...
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