Search for photons above 1019 eV with the surface detector of the Pierre Auger Observatory

Abreu, P.; Aglietta, M.; Allekotte, I.; Almeida Cheminant, K.; Almela, A.; 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.; Bellido, J.A.; Berat, C.; Bertaina, M.E.; Bhatta, G.; 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.; Bretz, T.; Brichetto Orchera, P.G.; Briechle, F.L.; Buchholz, P.; Bueno, A.; Buitink, S.; Buscemi, M.; Büsken, M.; Bwembya, A.; Caballero-Mora, K.S.; Caccianiga, L.; Caracas, I.; Caruso, R.; Castellina, A.; Catalani, F.; Cataldi, G.; Cazon, L.; Cerda, M.; 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.; Contreras, F.; Convenga, F.; Correia dos Santos, D.; Covault, C.E.; Cristinziani, M.; 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.; Deval, L.; di Matteo, A.; Dobre, M.; Dobrigkeit, C.; D'Olivo, J.C.; Domingues Mendes, L.M.; dos Anjos, R.C.; Ebr, J.; Eman, M.; Engel, R.; Epicoco, I.; Erdmann, M.; Escobar, C.O.; Etchegoyen, A.; Falcke, H.; Farmer, J.; Farrar, G.; Fauth, A.C.; Fazzini, N.; Feldbusch, F.; Fenu, F.; Fick, B.; Figueira, J.M.; Filipčič, A.; Fitoussi, T.; Fodran, T.; Fujii, T.; Fuster, A.; Galea, C.; Galelli, C.; García, B.; 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.; Heck, D.; 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.; Kleinfeller, J.; Knapp, F.; Krohm, N.; Kunka, N.; Lago, B.L.; Langner, N.; Leigui de Oliveira, M.A.; Lenok, V.; Letessier-Selvon, A.; Lhenry-Yvon, I.; Lo Presti, D.; Lopes, L.; López, R.; Lu, L.; Luce, Q.; Lundquist, J.P.; Machado Payeras, A.; Mancarella, G.; Mandat, D.; Manning, B.C.; Manshanden, J.; Mantsch, P.; Marafico, S.; Mariani, F.M.; Mariazzi, A.G.; Mariş, 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.; Melo, D.; Menshikov, A.; 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.; Nasr-Esfahani, A.; Nellen, L.; Nicora, G.; Niculescu-Oglinzanu, M.; Niechciol, M.; Nitz, D.; Norwood, I.; Nosek, D.; Novotny, V.; Nožka, L.; Nucita, A.; Núñez, L.A.; Oliveira, C.; Palatka, M.; Pallotta, J.; Papenbreer, P.; Parente, G.; Parra, A.; Pawlowsky, J.; Pech, M.; Pȩkala, J.; Pelayo, R.; 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 Shavar, 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 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.; Smau, R.; Šmída, R.; Sommers, P.; Soriano, J.F.; Squartini, R.; Stadelmaier, M.; Stanca, D.; Stanič, S.; Stasielak, J.; Stassi, P.; Straub, M.; Streich, A.; Suárez-Durán, M.; Sudholz, T.; Suomijärvi, T.; Supanitsky, A.D.; 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.; Ulrich, R.; 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.; Vorobiov, S.; Watanabe, C.; Watson, A.A.; Weindl, A.; Wiencke, L.; Wilczyński, H.; Wittkowski, D.; Wundheiler, B.; Yushkov, A.; Zapparrata, O.; Zas, E.; Zavrtanik, D.; Zavrtanik, M.; Zehrer, L.

doi:10.1088/1475-7516/2023/05/021

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 & DEG; to 60 & DEG; 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, 2x1019 eV and 4x1019 eV amounting to 2.11x10-3, 3.12x10-4 and 1.72x10-4 km-2 sr-1 yr-1, respectively. While the sensitivity of the present search around 2 x 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.

Search for photons above 1019 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, M.E. Bertaina, G. Bhatta, P.L. Biermann, V. Binet, K. Bismark, T. Bister, J. Biteau, J. Blazek, C. Bleve, 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, 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, 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, I. Lhenry-Yvon, 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, 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, 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, M. Straub, A. Streich, M. Suárez-Durán, T. Sudholz, T. Suomijärvi, A.D. Supanitsky, Z. Szadkowski, A. Tapia, C. Taricco, C. Timmermans, O. Tkachenko, P. Tobiska, C.J. Todero Peixoto, B. Tomé, Z. Torrès, 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. - In: JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS. - ISSN 1475-7516. - 2023:5(2023 May 09), pp. 21.1-21.26. [10.1088/1475-7516/2023/05/021]

Search for photons above 1019 eV with the surface detector of the Pierre Auger Observatory

Abreu, P.;Aglietta, M.;Allekotte, I.;Almeida Cheminant, K.;Almela, A.;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.;Bellido, J. A.;Berat, C.;Bertaina, M. E.;Bhatta, G.;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.;Bretz, T.;Brichetto Orchera, P. G.;Briechle, F. L.;Buchholz, P.;Bueno, A.;Buitink, S.;Buscemi, M.;Büsken, M.;Bwembya, A.;Caballero-Mora, K. S.;L. Caccianiga;Caracas, I.;Caruso, R.;Castellina, A.;Catalani, F.;Cataldi, G.;Cazon, L.;Cerda, M.;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.;Contreras, F.;Convenga, F.;Correia dos Santos, D.;Covault, C. E.;Cristinziani, M.;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.;Deval, L.;di Matteo, A.;Dobre, M.;Dobrigkeit, C.;D'Olivo, J. C.;Domingues Mendes, L. M.;dos Anjos, R. C.;Ebr, J.;Eman, M.;Engel, R.;Epicoco, I.;Erdmann, M.;Escobar, C. O.;Etchegoyen, A.;Falcke, H.;Farmer, J.;Farrar, G.;Fauth, A. C.;Fazzini, N.;Feldbusch, F.;Fenu, F.;Fick, B.;Figueira, J. M.;Filipčič, A.;Fitoussi, T.;Fodran, T.;Fujii, T.;Fuster, A.;Galea, C.;C. Galelli;García, B.;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.;Heck, D.;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.;Kleinfeller, J.;Knapp, F.;Krohm, N.;Kunka, N.;Lago, B. L.;Langner, N.;Leigui de Oliveira, M. A.;Lenok, V.;Letessier-Selvon, A.;Lhenry-Yvon, I.;Lo Presti, D.;Lopes, L.;López, R.;Lu, L.;Luce, Q.;Lundquist, J. P.;Machado Payeras, A.;Mancarella, G.;Mandat, D.;Manning, B. C.;Manshanden, J.;Mantsch, P.;Marafico, S.;F.M. Mariani;Mariazzi, A. G.;Mariş, 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.;Melo, D.;Menshikov, A.;Michal, S.;Micheletti, M. I.;L. Miramonti;Mollerach, S.;Montanet, F.;Morejon, L.;Morello, C.;Müller, A. L.;Mulrey, K.;Mussa, R.;Muzio, M.;Namasaka, W. M.;Nasr-Esfahani, A.;Nellen, L.;Nicora, G.;Niculescu-Oglinzanu, M.;Niechciol, M.;Nitz, D.;Norwood, I.;Nosek, D.;Novotny, V.;Nožka, L.;Nucita, A.;Núñez, L. A.;Oliveira, C.;Palatka, M.;Pallotta, J.;Papenbreer, P.;Parente, G.;Parra, A.;Pawlowsky, J.;Pech, M.;Pȩkala, J.;Pelayo, R.;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 Shavar, 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 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.;V. Scherini;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.;Smau, R.;Šmída, R.;Sommers, P.;Soriano, J. F.;Squartini, R.;Stadelmaier, M.;Stanca, D.;Stanič, S.;Stasielak, J.;Stassi, P.;Straub, M.;Streich, A.;Suárez-Durán, M.;Sudholz, T.;Suomijärvi, T.;Supanitsky, A. D.;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.;Ulrich, R.;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.;Vorobiov, S.;Watanabe, C.;Watson, A. A.;Weindl, A.;Wiencke, L.;Wilczyński, H.;Wittkowski, D.;Wundheiler, B.;Yushkov, A.;Zapparrata, O.;Zas, E.;Zavrtanik, D.;Zavrtanik, M.;Zehrer, L.

2023

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 & DEG; to 60 & DEG; 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, 2x1019 eV and 4x1019 eV amounting to 2.11x10-3, 3.12x10-4 and 1.72x10-4 km-2 sr-1 yr-1, respectively. While the sensitivity of the present search around 2 x 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.

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	Parole chiave
	
				cosmic ray experiments; gamma ray detectors; ultra high energy cosmic rays; ultra high energy photons and neutrinos;
			
	Settori scientifico-disciplinari dell'articolo (sola visualizzazione)
	
				Settore FIS/01 - Fisica Sperimentale
Settore FIS/04 - Fisica Nucleare e Subnucleare
Settore FIS/05 - Astronomia e Astrofisica
			
	Data di pubblicazione
	
				9-mag-2023
			
	Rivista in ANCE
	
				JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS
			
	DOI
	
				https://dx.doi.org/10.1088/1475-7516/2023/05/021
			
	Tipologia
	
				Article (author)
			
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