Testing hadronic-model predictions of depth of maximum of air-shower profiles and ground-particle signals using hybrid data of the Pierre Auger Observatory

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.; Apollonio, L.; Aramo, C.; Araújo Ferreira, P.  R.; Arnone, E.; Arteaga Velázquez, J.  C.; Assis, P.; Avila, G.; Avocone, E.; Bakalova, 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.; Campuzano, F.; 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.; 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 Souza de Errico, B.  P.; 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.; Dorosti, Q.; 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.; 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.; Glombitza, J.; Gobbi, F.; Gollan, F.; Golup, G.; Gómez Berisso, M.; Gómez Vitale, P.  F.; Gongora, J.  P.; González, J.  M.; González, N.; Góra, D.; Gorgi, A.; Gottowik, M.; Grubb, T.  D.; Guarino, F.; Guedes, G.  P.; Guido, E.; Gülzow, L.; 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.; Jilek, V.; Johnsen, J.  A.; Jurysek, J.; Kampert, K. -H.; Keilhauer, B.; Khakurdikar, A.; Kizakke Covilakam, V.  V.; Klages, H.  O.; Kleifges, M.; Knapp, F.; Köhler, J.; Kunka, N.; Lago, B.  L.; Langner, N.; Leigui de Oliveira, M.  A.; Lema-Capeans, Y.; Letessier-Selvon, A.; Lhenry-Yvon, I.; Lopes, L.; Lu, L.; Luce, Q.; Lundquist, J.  P.; Machado Payeras, A.; Majercakova, M.; Mandat, D.; Manning, B.  C.; Mantsch, P.; Mariani, F.  M.; Mariazzi, A.  G.; Mariş, I.  C.; Marsella, G.; Martello, D.; Martinelli, S.; Martínez Bravo, O.; Martins, M.  A.; 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.; Mulrey, K.; Mussa, R.; Namasaka, W.  M.; Negi, S.; Nellen, L.; Nguyen, K.; Nicora, G.; 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.; Querchfeld, S.; Rautenberg, J.; Ravignani, D.; Reginatto Akim, J.  V.; 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.; Schmidt, D.; Scholten, O.; Schoorlemmer, H.; Schovánek, P.; Schröder, F.  G.; Schulte, J.; Schulz, T.; Sciutto, S.  J.; Scornavacche, M.; Sedoski, A.; Segreto, A.; Sehgal, S.; Shivashankara, S.  U.; Sigl, G.; Silli, G.; Sima, O.; Simkova, K.; Simon, F.; Smau, R.; Šmída, R.; Sommers, P.; Soriano, J.  F.; Squartini, R.; Stadelmaier, M.; Stanič, S.; Stasielak, J.; Stassi, P.; Strähnz, S.; Straub, M.; Suomijärvi, T.; Supanitsky, A.  D.; Svozilikova, Z.; Szadkowski, Z.; Tairli, F.; 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.; 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.; Null, Null

doi:10.1103/physrevd.109.102001

We test the predictions of hadronic interaction models regarding the depth of maximum of air-shower profiles, X-max, and ground-particle signals in water-Cherenkov detectors at 1000 m from the shower core, S(1000), using the data from the fluorescence and surface detectors of the Pierre Auger Observatory. The test consists of fitting the measured two-dimensional (S(1000), X-max) distributions using templates for simulated air showers produced with hadronic interaction models Epos-LHC, QGSJet-II-04, SIBYLL 2.3d and leaving the scales of predicted X-max and the signals from hadronic component at ground as free-fit parameters. The method relies on the assumption that the mass composition remains the same at all zenith angles, while the longitudinal shower development and attenuation of ground signal depend on the mass composition in a correlated way. The analysis was applied to 2239 events detected by both the fluorescence and surface detectors of the Pierre Auger Observatory with energies between 10(18.5) eV to 10(19.0) eV and zenith angles below 60 degrees. We found, that within the assumptions of the method, the best description of the data is achieved if the predictions of the hadronic interaction models are shifted to deeper X-max values and larger hadronic signals at all zenith angles. Given the magnitude of the shifts and the data sample size, the statistical significance of the improvement of data description using the modifications considered in the paper is larger than 5 sigma even for any linear combination of experimental systematic uncertainties.