Search for primary photons at tens of PeV with the Pierre Auger Observatory

González N.; 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.; 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.; 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.; 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.; 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. · Proceedings of Science (2024)

Resumen

The observation of primary photons with energies around 1016 eV would be particularly interesting after the discovery of Galactic gamma-ray sources with spectra extending into the PeV range. Since photons are connected to the acceleration of charged particles, searches for photons enhance the multi-messenger understanding of cosmic-ray sources as well as of transient astrophysical phenomena, while offering wealthy connections to neutrino astronomy and dark matter. Additionally, diffuse photon fluxes are expected from cosmic-ray interactions with Galactic matter and background radiation fields. Previously, the energy domain between 1 PeV and 200 PeV was only explored from the Northern Hemisphere. The Pierre Auger Observatory is the largest astroparticle experiment in operation and, thanks to its location, has a sizable exposure to the Southern sky, including the Galactic center region. In this contribution, we present the first search for photons from the Southern hemisphere between 50 and 200 PeV exploiting the Auger data acquired during ∼ 4 yr of operation. We describe the method to discriminate photons against the dominating hadronic background; it is based on the measurements of air showers taken with the low-energy extension of the Pierre Auger Observatory composed by 19 water-Cherenkov detectors spanning ∼ 2 km2 and an Underground Muon Detector. The search for a diffuse flux of photons is presented and its results are interpreted according to theoretical model predictions. This study extends the range of Auger photon searches to almost four decades in energy. © Copyright owned by the author(s) under the terms of the Creative Commons.

Instituciones: Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa