The Energy Spectrum of Ultra-High Energy Cosmic Rays across Declinations $-90^\circ$ to $+44.8^\circ$ as measured at the Pierre Auger Observatory
The Pierre Auger Collaboration, A. Abdul Halim, P. Abreu, M. Aglietta, I. Allekotte, K. Almeida Cheminant, A. Almela, R. Aloisio, J. Alvarez-Muñiz, A. Ambrosone, J. Ammerman Yebra, G. A. Anastasi, L. Anchordoqui, B. Andrada, L. Andrade Dourado, S. Andringa, L. Apollonio, C. Aramo, E. Arnone, J. C. Arteaga Velázquez, P. Assis, G. Avila, E. Avocone, A. Bakalova, F. Barbato, A. Bartz Mocellin, J. A. Bellido, C. Berat, M. E. Bertaina, M. Bianciotto, P. L. Biermann, V. Binet, K. Bismark, T. Bister, J. Biteau, J. Blazek, J. Blümer, M. Boháčová, D. Boncioli, C. Bonifazi, L. Bonneau Arbeletche, N. Borodai, J. Brack, P. G. Brichetto Orchera, F. L. Briechle, A. Bueno, S. Buitink, M. Buscemi, M. Büsken, A. Bwembya, K. S. Caballero-Mora, S. Cabana-Freire, L. Caccianiga, F. Campuzano, J. Caraça-Valente, R. Caruso, A. Castellina, F. Catalani, G. Cataldi, L. Cazon, M. Cerda, B. Čermáková, A. Cermenati, J. A. Chinellato, J. Chudoba, L. Chytka, R. W. Clay, A. C. Cobos Cerutti, R. Colalillo, R. Conceição, G. Consolati, M. Conte, F. Convenga, D. Correia dos Santos, P. J. Costa, C. E. Covault, M. Cristinziani, C. S. Cruz Sanchez, S. Dasso, K. Daumiller, B. R. Dawson, R. M. de Almeida, E. -T. de Boone, B. de Errico, 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, N. Denner, L. Deval, A. di Matteo, C. Dobrigkeit, J. C. D'Olivo, L. M. Domingues Mendes, Q. Dorosti, J. C. dos Anjos, R. C. dos Anjos, J. Ebr, F. Ellwanger, R. Engel, I. Epicoco, M. Erdmann, A. Etchegoyen, C. Evoli, H. Falcke, G. Farrar, A. C. Fauth, T. Fehler, F. Feldbusch, A. Fernandes, M. Fernandez, B. Fick, J. M. Figueira, P. Filip, A. Filipčič, T. Fitoussi, B. Flaggs, T. Fodran, A. Franco, M. Freitas, T. Fujii, A. Fuster, C. Galea, B. García, C. Gaudu, P. L. Ghia, U. Giaccari, F. Gobbi, F. Gollan, G. Golup, M. Gómez Berisso, P. F. Gómez Vitale, J. P. Gongora, J. M. González, N. González, D. Góra, A. Gorgi, M. Gottowik, F. Guarino, G. P. Guedes, L. Gülzow, S. Hahn, P. Hamal, M. R. Hampel, P. Hansen, V. M. Harvey, A. Haungs, T. Hebbeker, C. Hojvat, J. R. Hörandel, P. Horvath, M. Hrabovský, T. Huege, A. Insolia, P. G. Isar, M. Ismaiel, P. Janecek, V. Jilek, K. -H. Kampert, B. Keilhauer, A. Khakurdikar, V. V. Kizakke Covilakam, H. O. Klages, M. Kleifges, J. Köhler, F. Krieger, M. Kubatova, N. Kunka, B. L. Lago, N. Langner, N. Leal, M. A. Leigui de Oliveira, Y. Lema-Capeans, A. Letessier-Selvon, I. Lhenry-Yvon, L. Lopes, J. P. Lundquist, M. Mallamaci, D. Mandat, P. Mantsch, F. M. Mariani, A. G. Mariazzi, I. C. Mariş, G. Marsella, D. Martello, S. Martinelli, M. A. Martins, H. -J. Mathes, J. Matthews, G. Matthiae, E. Mayotte, S. Mayotte, P. O. Mazur, G. Medina-Tanco, J. Meinert, D. Melo, A. Menshikov, C. Merx, S. Michal, M. I. Micheletti, L. Miramonti, M. Mogarkar, S. Mollerach, F. Montanet, L. Morejon, K. Mulrey, R. Mussa, W. M. Namasaka, S. Negi, L. Nellen, K. Nguyen, G. Nicora, M. Niechciol, D. Nitz, D. Nosek, A. Novikov, V. Novotny, L. Nožka, A. Nucita, L. A. Núñez, J. Ochoa, C. Oliveira, L. Östman, M. Palatka, J. Pallotta, S. Panja, G. Parente, T. Paulsen, J. Pawlowsky, M. Pech, J. Pękala, R. Pelayo, V. Pelgrims, L. A. S. Pereira, E. E. Pereira Martins, C. Pérez Bertolli, L. Perrone, S. Petrera, C. Petrucci, T. Pierog, M. Pimenta, M. Platino, B. Pont, M. Pourmohammad Shahvar, P. Privitera, C. Priyadarshi, M. Prouza, K. Pytel, S. Querchfeld, J. Rautenberg, D. Ravignani, J. V. Reginatto Akim, A. Reuzki, J. Ridky, F. Riehn, M. Risse, V. Rizi, E. Rodriguez, G. Rodriguez Fernandez, J. Rodriguez Rojo, S. Rossoni, M. Roth, E. Roulet, A. C. Rovero, A. Saftoiu, M. Saharan, F. Salamida, H. Salazar, G. Salina, P. Sampathkumar, N. San Martin, J. D. Sanabria Gomez, F. Sánchez, E. M. Santos, E. Santos, F. Sarazin, R. Sarmento, R. Sato, P. Savina, V. Scherini, H. Schieler, M. Schimassek, M. Schimp, D. Schmidt, O. Scholten, H. Schoorlemmer, P. Schovánek, F. G. Schröder, J. Schulte, T. Schulz, S. J. Sciutto, M. Scornavacche, A. Sedoski, A. Segreto, S. Sehgal, S. U. Shivashankara, G. Sigl, K. Simkova, F. Simon, R. Šmída, P. Sommers, R. Squartini, M. Stadelmaier, S. Stanič, J. Stasielak, P. Stassi, S. Strähnz, M. Straub, T. Suomijärvi, A. D. Supanitsky, Z. Svozilikova, K. Syrokvas, Z. Szadkowski, F. Tairli, M. Tambone, A. Tapia, C. Taricco, C. Timmermans, O. Tkachenko, P. Tobiska, C. J. Todero Peixoto, B. Tomé, A. Travaini, P. Travnicek, M. Tueros, M. Unger, R. Uzeiroska, L. Vaclavek, M. Vacula, I. Vaiman, J. F. Valdés Galicia, L. Valore, P. van Dillen, E. Varela, V. Vašíčková, A. Vásquez-Ramírez, D. Veberič, I. D. Vergara Quispe, S. Verpoest, V. Verzi, J. Vicha, J. Vink, S. Vorobiov, J. B. Vuta, C. Watanabe, A. A. Watson, A. Weindl, M. Weitz, L. Wiencke, H. Wilczyński, B. Wundheiler, B. Yue, A. Yushkov, E. Zas, D. Zavrtanik, M. Zavrtanik
TL;DR
The study tests whether the ultra-high-energy cosmic ray energy spectrum depends on declination by combining vertical and inclined observations from the Pierre Auger Observatory across $-90^ obreak o +44.8^ obreak o$. It employs a forward-folding, multi-break power-law model $J(E;\mathbf{p})$ and cross-calibrates two energy estimators, $S_{38}$ and $N_{68}$, via correlated shifts $(\delta A,\delta B,\delta C)$ to produce a single, sky-wide spectrum. The analysis finds no significant declination dependence beyond the known dipole modulation and robustly confirms the instep at about $10~\mathrm{EeV}$ with a significance around $5.5\sigma$, arguing against an origin from a small number of foreground sources. These results tighten constraints on the origin and propagation of ultra-high-energy cosmic rays and demonstrate the value of combining vertical and inclined data with careful energy calibration for accurate, all-sky spectral measurements.
Abstract
The energy spectrum of cosmic rays above 2.5 EeV has been measured across the declination range $-90^\circ \leqδ\leq +44.8^\circ$ using data from $\sim 310{,}000$ events accrued at the Pierre Auger Observatory from an exposure of $(104{,}900\pm 3{,}100)$ km$^2\,$sr$\,$yr. No significant variations of energy spectra with declination are observed, after allowing or not for non-uniformities across the sky arising from the well-established dipolar anisotropies in the arrival directions of ultra-high energy cosmic rays. Additionally, the instep feature in the spectrum at $\simeq$ 10 EeV reported previously is now established at a significance above $5\,σ$. The quasi-uniformity of the energy spectrum across declinations disfavors an origin for the instep from a few distinctive sources.
