Abstract
We use the surface detector of the Pierre Auger Observatory to search for air showers initiated by photons with an energy above 1019 eV. Photons in the zenith angle range from 30° to 60° 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 1019 eV, 2 × 1019 eV and 4 × 1019 eV amounting to 2.11 × 10-3, 3.12 × 10-4 and 1.72 × 10-4 km-2 sr-1 yr-1, respectively. While the sensitivity of the present search around 2 × 1019 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.
| Original language | English |
|---|---|
| Article number | 021 |
| Journal | Journal of Cosmology and Astroparticle Physics |
| Volume | 2023 |
| Issue number | 5 |
| DOIs | |
| State | Published - 1 May 2023 |
| Externally published | Yes |
Keywords
- cosmic ray experiments
- gamma ray detectors
- ultra high energy cosmic rays
- ultra high energy photons and neutrinos
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In: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Vol. 2023, No. 5, 021, 01.05.2023.
Research output: Contribution to journal › Article › peer-review
TY - JOUR
T1 - Search for photons above 1019eV with the surface detector of the Pierre Auger Observatory
AU - Abreu, P.
AU - Aglietta, M.
AU - Allekotte, I.
AU - Almeida Cheminant, K.
AU - Almela, A.
AU - Alvarez-Muñiz, J.
AU - Ammerman Yebra, J.
AU - Anastasi, G. A.
AU - Anchordoqui, L.
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AU - Zapparrata, O.
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AU - Zavrtanik, D.
AU - Zavrtanik, M.
AU - Zehrer, L.
N1 - Publisher Copyright: © 2023 The Author(s).
PY - 2023/5/1
Y1 - 2023/5/1
N2 - We use the surface detector of the Pierre Auger Observatory to search for air showers initiated by photons with an energy above 1019 eV. Photons in the zenith angle range from 30° to 60° 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 1019 eV, 2 × 1019 eV and 4 × 1019 eV amounting to 2.11 × 10-3, 3.12 × 10-4 and 1.72 × 10-4 km-2 sr-1 yr-1, respectively. While the sensitivity of the present search around 2 × 1019 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.
AB - We use the surface detector of the Pierre Auger Observatory to search for air showers initiated by photons with an energy above 1019 eV. Photons in the zenith angle range from 30° to 60° 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 1019 eV, 2 × 1019 eV and 4 × 1019 eV amounting to 2.11 × 10-3, 3.12 × 10-4 and 1.72 × 10-4 km-2 sr-1 yr-1, respectively. While the sensitivity of the present search around 2 × 1019 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.
KW - cosmic ray experiments
KW - gamma ray detectors
KW - ultra high energy cosmic rays
KW - ultra high energy photons and neutrinos
UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85159475261&partnerID=8YFLogxK
U2 - 10.1088/1475-7516/2023/05/021
DO - 10.1088/1475-7516/2023/05/021
M3 - Artículo
AN - SCOPUS:85159475261
SN - 1475-7516
VL - 2023
JO - Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
JF - Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
IS - 5
M1 - 021
ER -