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Article Dans Une Revue JCAP Année : 2023

Search for photons above 10$^{19}$ eV with the surface detector of the Pierre Auger Observatory

P. Abreu , M. Aglietta , I. Allekotte , K.Almeida Cheminant , A. Almela , J. Alvarez-Muñiz , J.Ammerman Yebra , G.A. Anastasi , L. Anchordoqui , B. Andrada , S. Andringa , C. Aramo , P.R.Araújo Ferreira , E. Arnone , J.C.Arteaga Velázquez , H. Asorey , P. Assis , G. Avila , E. Avocone , A.M. Badescu , A. Bakalova , A. Balaceanu , F. Barbato , J.A. Bellido , C. Berat (1) , M.E. Bertaina , G. Bhatta , P.L. Biermann , V. Binet , K. Bismark , T. Bister , J. Biteau (2) , J. Blazek , C. Bleve (1) , J. Blümer , M. Boháčová , D. Boncioli , C. Bonifazi , L.Bonneau Arbeletche , N. Borodai , J. Brack , T. Bretz , P.G.Brichetto Orchera , F.L. Briechle , P. Buchholz , A. Bueno , S. Buitink , M. Buscemi , M. Büsken , A. Bwembya , K.S. Caballero-Mora , L. Caccianiga , I. Caracas , R. Caruso , A. Castellina , F. Catalani , G. Cataldi , L. Cazon , M. Cerda , J.A. Chinellato , J. Chudoba , L. Chytka , R.W. Clay , A.C.Cobos Cerutti , R. Colalillo , A. Coleman , M.R. Coluccia , R. Conceição , A. Condorelli , G. Consolati , F. Contreras , F. Convenga , D.Correia dos Santos , C.E. Covault , M. Cristinziani , S. Dasso , K. Daumiller , B.R. Dawson , R.M. de Almeida , J. de Jesús , S.J. de Jong , J.R.T. de Mello Neto , I. de Mitri , J. de Oliveira , D. de Oliveira Franco , F. de Palma , V. de Souza , E. de Vito , A. del Popolo , O. Deligny (2) , L. Deval , A. Di Matteo , M. Dobre , C. Dobrigkeit , J.C. d'Olivo , L.M.Domingues Mendes , R.C. dos Anjos , J. Ebr , M. Eman , R. Engel , I. Epicoco , M. Erdmann , C.O. Escobar , A. Etchegoyen , H. Falcke , J. Farmer , G. Farrar , A.C. Fauth , N. Fazzini , F. Feldbusch , F. Fenu , B. Fick , J.M. Figueira , A. Filipčič , T. Fitoussi , T. Fodran , T. Fujii , A. Fuster , C. Galea , C. Galelli , B. García , H. Gemmeke , F. Gesualdi , A. Gherghel-Lascu , P.L. Ghia (2) , U. Giaccari , M. Giammarchi , J. Glombitza , F. Gobbi , F. Gollan , G. Golup , M.Gómez Berisso , P.F.Gómez Vitale , J.P. Gongora , J.M. González , N. González , I. Goos , D. Góra , A. Gorgi , M. Gottowik , T.D. Grubb , F. Guarino , G.P. Guedes , E. Guido , S. Hahn , P. Hamal , M.R. Hampel , P. Hansen , D. Harari , V.M. Harvey , A. Haungs , T. Hebbeker , D. Heck , C. Hojvat , J.R. Hörandel , P. Horvath , M. Hrabovský , T. Huege , A. Insolia , P.G. Isar , P. Janecek , J.A. Johnsen , J. Jurysek , A. Kääpä , K.H. Kampert , B. Keilhauer , A. Khakurdikar , V.V.Kizakke Covilakam , H.O. Klages , M. Kleifges , J. Kleinfeller , F. Knapp , N. Krohm , N. Kunka , B.L. Lago , N. Langner , M.A.Leigui de Oliveira , V. Lenok , A. Letessier-Selvon (3) , I. Lhenry-Yvon (2) , D.Lo Presti , L. Lopes , R. López , L. Lu , Q. Luce , J.P. Lundquist , A.Machado Payeras , G. Mancarella , D. Mandat , B.C. Manning , J. Manshanden , P. Mantsch , S. Marafico (2) , F.M. Mariani , A.G. Mariazzi , I.C. Mariş , G. Marsella , D. Martello , S. Martinelli , O.Martínez Bravo , M.A. Martins , M. Mastrodicasa , H.J. Mathes , J. Matthews , G. Matthiae , E. Mayotte , S. Mayotte , P.O. Mazur , G. Medina-Tanco , D. Melo , A. Menshikov , S. Michal , M.I. Micheletti , L. Miramonti , S. Mollerach , F. Montanet (1) , L. Morejon , C. Morello , A.L. Müller , K. Mulrey , R. Mussa , M. Muzio , W.M. Namasaka , A. Nasr-Esfahani , L. Nellen , G. Nicora , M. Niculescu-Oglinzanu , M. Niechciol , D. Nitz , I. Norwood , D. Nosek , V. Novotny , L. Nožka , A. Nucita , L.A. Núñez , C. Oliveira , M. Palatka , J. Pallotta , P. Papenbreer , G. Parente , A. Parra , J. Pawlowsky , M. Pech , J. Pȩkala , R. Pelayo , E.E.Pereira Martins , J.Perez Armand , C.Pérez Bertolli , L. Perrone , S. Petrera , C. Petrucci , T. Pierog , M. Pimenta , M. Platino , B. Pont , M. Pothast , M.Pourmohammad Shavar , P. Privitera , M. Prouza , A. Puyleart , S. Querchfeld , J. Rautenberg , D. Ravignani , M. Reininghaus , J. Ridky , F. Riehn , M. Risse , V. Rizi , W.Rodrigues de Carvalho , J.Rodriguez Rojo , M.J. Roncoroni , S. Rossoni , M. Roth , E. Roulet , A.C. Rovero , P. Ruehl , A. Saftoiu , M. Saharan , F. Salamida , H. Salazar , G. Salina , J.D.Sanabria Gomez , F. Sánchez , E.M. Santos , E. Santos , F. Sarazin , R. Sarmento , R. Sato , P. Savina , C.M. Schäfer , V. Scherini , H. Schieler , M. Schimassek , M. Schimp , F. Schlüter , D. Schmidt , O. Scholten , H. Schoorlemmer , P. Schovánek , F.G. Schröder , J. Schulte , T. Schulz , S.J. Sciutto , M. Scornavacche , A. Segreto , S. Sehgal , S.U. Shivashankara , G. Sigl , G. Silli , O. Sima , R. Smau , R. Šmída , P. Sommers , J.F. Soriano , R. Squartini , M. Stadelmaier , D. Stanca , S. Stanič , J. Stasielak , P. Stassi (1) , M. Straub , A. Streich , M. Suárez-Durán , T. Sudholz , T. Suomijärvi (2) , A.D. Supanitsky , Z. Szadkowski , A. Tapia , C. Taricco , C. Timmermans , O. Tkachenko , P. Tobiska , C.J.Todero Peixoto , B. Tomé , Z. Torrès (1) , A. Travaini , P. Travnicek , C. Trimarelli , M. Tueros , R. Ulrich , M. Unger , L. Vaclavek , M. Vacula , J.F.Valdés Galicia , L. Valore , E. Varela , A. Vásquez-Ramírez , D. Veberič , C. Ventura , I.D.Vergara Quispe , V. Verzi , J. Vicha , J. Vink , S. Vorobiov , C. Watanabe , A.A. Watson , A. Weindl , L. Wiencke , H. Wilczyński , D. Wittkowski , B. Wundheiler , A. Yushkov , O. Zapparrata , E. Zas , D. Zavrtanik , M. Zavrtanik , L. Zehrer
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  • Fonction : Auteur

Résumé

We use the surface detector of the Pierre Auger Observatory to search for air showers initiated by photons with an energy above $10^{19}$ eV. Photons in the zenith angle range from 30$^\circ$ to 60$^\circ$ can be identified in the overwhelming background of showers initiated by charged cosmic rays through the broader time structure of the signals induced in the water-Cherenkov detectors of the array and the steeper lateral distribution of shower particles reaching ground. Applying the search method to data collected between January 2004 and June 2020, upper limits at 95% CL are set to an $E^{-2}$ diffuse flux of ultra-high energy photons above $10^{19}$ eV, $2{\times}10^{19}$ eV and $4{\times}10^{19}$ eV amounting to $2.11{\times}10^{-3}$, $3.12{\times}10^{-4}$ and $1.72{\times}10^{-4}$ km$^{-2}$ sr$^{-1}$ yr$^{-1}$, respectively. While the sensitivity of the present search around $2 \times 10^{19}$ eV approaches expectations of cosmogenic photon fluxes in the case of a pure-proton composition, it is one order of magnitude above those from more realistic mixed-composition models. The inferred limits have also implications for the search of super-heavy dark matter that are discussed and illustrated.

Dates et versions

hal-03791477 , version 1 (29-09-2022)

Identifiants

Citer

P. Abreu, M. Aglietta, I. Allekotte, K.Almeida Cheminant, A. Almela, et al.. Search for photons above 10$^{19}$ eV with the surface detector of the Pierre Auger Observatory. JCAP, 2023, 05, pp.021. ⟨10.1088/1475-7516/2023/05/021⟩. ⟨hal-03791477⟩
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