Skip to search
Skip to main content
Back to Search
Start Over
Testing effects of Lorentz invariance violation in the propagation of astroparticles with the Pierre Auger Observatory
Authors :
The Pierre Auger Collaboration Abreu, P. Aglietta, M. Albury, J. M. Allekotte, I. Cheminant, K. Almeida Almela, A. Alvarez-Muñiz, J. Batista, R. Alves Anastasi, G. A. Anchordoqui, L. Andrada, B. Andringa, S. Aramo, C. Ferreira, P. R. Araújo Arnone, E. Velázquez, J. C. Arteaga Asorey, H. Assis, P. Avila, G. Badescu, A. M. Bakalova, A. Balaceanu, A. Barbato, F. Bellido, J. A. Berat, C. Bertaina, M. E. Bertou, X. 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. Arbeletche, L. Bonneau Borodai, N. Botti, A. M. Brack, J. Bretz, T. Orchera, P. G. Brichetto Briechle, F. L. Buchholz, P. Bueno, A. Buitink, S. Buscemi, M. Büsken, M. Caballero-Mora, K. S. Caccianiga, L. Canfora, F. Caracas, I. Caruso, R. Castellina, A. Catalani, F. Cataldi, G. Cazon, L. Cerda, M. Chinellato, J. A. Chudoba, J. Chytka, L. Clay, R. W. Cerutti, A. C. Cobos Colalillo, R. Coleman, A. Coluccia, M. R. Conceição, R. Condorelli, A. Consolati, G. Contreras, F. Convenga, F. Santos, D. Correia dos Covault, C. E. Dasso, S. Daumiller, K. Dawson, B. R. Day, J. A. de Almeida, R. M. de Jesús, J. de Jong, S. J. Neto, J. R. T. de Mello De Mitri, I. de Oliveira, J. Franco, D. de Oliveira de Palma, F. de Souza, V. De Vito, E. Del Popolo, A. del Río, M. Deligny, O. Deval, L. di Matteo, A. Dobre, M. Dobrigkeit, C. D'Olivo, J. C. Mendes, L. M. Domingues Anjos, R. C. dos Dova, M. T. Ebr, J. 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. Vegas, A. L. Garcia Gemmeke, H. Gesualdi, F. Gherghel-Lascu, A. Ghia, P. L. Giaccari, U. Giammarchi, M. Glombitza, J. Gobbi, F. Gollan, F. Golup, G. Berisso, M. Gómez Vitale, P. F. Gómez 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. Hill, G. C. 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. Karastathis, N. Keilhauer, B. Khakurdikar, A. Covilakam, V. V. Kizakke Klages, H. O. Kleifges, M. Kleinfeller, J. Knapp, F. Kunka, N. Lago, B. L. Lang, R. G. Langner, N. de Oliveira, M. A. Leigui Lenok, V. Letessier-Selvon, A. Lhenry-Yvon, I. Presti, D. Lo Lopes, L. López, R. Lu, L. Luce, Q. Lundquist, J. P. Payeras, A. Machado 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. Bravo, O. Martínez 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. Mostafá, M. Müller, A. L. Muller, M. A. Mulrey, K. Mussa, R. Muzio, M. Namasaka, W. M. Nasr-Esfahani, A. Nellen, L. 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. Papenbreer, P. Parente, G. Parra, A. Pawlowsky, J. Pech, M. Pękala, J. Pelayo, R. Peña-Rodriguez, J. Martins, E. E. Pereira Armand, J. Perez Bertolli, C. Pérez Perlin, M. Perrone, L. Petrera, S. Petrucci, C. Pierog, T. Pimenta, M. Pirronello, V. Platino, M. Pont, B. Pothast, M. Privitera, P. Prouza, M. Puyleart, A. Querchfeld, S. Rautenberg, J. Ravignani, D. Reininghaus, M. Ridky, J. Riehn, F. Risse, M. Rizi, V. de Carvalho, W. Rodrigues Rojo, J. Rodriguez Roncoroni, M. J. Rossoni, S. Roth, M. Roulet, E. Rovero, A. C. Ruehl, P. Saftoiu, A. Saharan, M. Salamida, F. Salazar, H. Salina, G. Gomez, J. D. Sanabria Sánchez, F. Santos, E. M. Santos, E. Sarazin, F. Sarmento, R. Sarmiento-Cano, C. 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. Shellard, R. C. 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. Streich, A. Suárez-Durán, M. Sudholz, T. Suomijärvi, T. Supanitsky, A. D. Szadkowski, Z. Tapia, A. Taricco, C. Timmermans, C. Tkachenko, O. Tobiska, P. Peixoto, C. J. Todero Tomé, B. Torrès, Z. Travaini, A. Travnicek, P. Trimarelli, C. Tueros, M. Ulrich, R. Unger, M. Vaclavek, L. Vacula, M. Galicia, J. F. Valdés Valore, L. Varela, E. Vásquez-Ramírez, A. Veberič, D. Ventura, C. Quispe, I. D. Vergara Verzi, V. Vicha, J. Vink, J. Vorobiov, S. Wahlberg, H. 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. The Pierre Auger Collaboration Abreu, P. Aglietta, M. Albury, J. M. Allekotte, I. Cheminant, K. Almeida Almela, A. Alvarez-Muñiz, J. Batista, R. Alves Anastasi, G. A. Anchordoqui, L. Andrada, B. Andringa, S. Aramo, C. Ferreira, P. R. Araújo Arnone, E. Velázquez, J. C. Arteaga Asorey, H. Assis, P. Avila, G. Badescu, A. M. Bakalova, A. Balaceanu, A. Barbato, F. Bellido, J. A. Berat, C. Bertaina, M. E. Bertou, X. 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. Arbeletche, L. Bonneau Borodai, N. Botti, A. M. Brack, J. Bretz, T. Orchera, P. G. Brichetto Briechle, F. L. Buchholz, P. Bueno, A. Buitink, S. Buscemi, M. Büsken, M. Caballero-Mora, K. S. Caccianiga, L. Canfora, F. Caracas, I. Caruso, R. Castellina, A. Catalani, F. Cataldi, G. Cazon, L. Cerda, M. Chinellato, J. A. Chudoba, J. Chytka, L. Clay, R. W. Cerutti, A. C. Cobos Colalillo, R. Coleman, A. Coluccia, M. R. Conceição, R. Condorelli, A. Consolati, G. Contreras, F. Convenga, F. Santos, D. Correia dos Covault, C. E. Dasso, S. Daumiller, K. Dawson, B. R. Day, J. A. de Almeida, R. M. de Jesús, J. de Jong, S. J. Neto, J. R. T. de Mello De Mitri, I. de Oliveira, J. Franco, D. de Oliveira de Palma, F. de Souza, V. De Vito, E. Del Popolo, A. del Río, M. Deligny, O. Deval, L. di Matteo, A. Dobre, M. Dobrigkeit, C. D'Olivo, J. C. Mendes, L. M. Domingues Anjos, R. C. dos Dova, M. T. Ebr, J. 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. Vegas, A. L. Garcia Gemmeke, H. Gesualdi, F. Gherghel-Lascu, A. Ghia, P. L. Giaccari, U. Giammarchi, M. Glombitza, J. Gobbi, F. Gollan, F. Golup, G. Berisso, M. Gómez Vitale, P. F. Gómez 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. Hill, G. C. 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. Karastathis, N. Keilhauer, B. Khakurdikar, A. Covilakam, V. V. Kizakke Klages, H. O. Kleifges, M. Kleinfeller, J. Knapp, F. Kunka, N. Lago, B. L. Lang, R. G. Langner, N. de Oliveira, M. A. Leigui Lenok, V. Letessier-Selvon, A. Lhenry-Yvon, I. Presti, D. Lo Lopes, L. López, R. Lu, L. Luce, Q. Lundquist, J. P. Payeras, A. Machado 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. Bravo, O. Martínez 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. Mostafá, M. Müller, A. L. Muller, M. A. Mulrey, K. Mussa, R. Muzio, M. Namasaka, W. M. Nasr-Esfahani, A. Nellen, L. 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. Papenbreer, P. Parente, G. Parra, A. Pawlowsky, J. Pech, M. Pękala, J. Pelayo, R. Peña-Rodriguez, J. Martins, E. E. Pereira Armand, J. Perez Bertolli, C. Pérez Perlin, M. Perrone, L. Petrera, S. Petrucci, C. Pierog, T. Pimenta, M. Pirronello, V. Platino, M. Pont, B. Pothast, M. Privitera, P. Prouza, M. Puyleart, A. Querchfeld, S. Rautenberg, J. Ravignani, D. Reininghaus, M. Ridky, J. Riehn, F. Risse, M. Rizi, V. de Carvalho, W. Rodrigues Rojo, J. Rodriguez Roncoroni, M. J. Rossoni, S. Roth, M. Roulet, E. Rovero, A. C. Ruehl, P. Saftoiu, A. Saharan, M. Salamida, F. Salazar, H. Salina, G. Gomez, J. D. Sanabria Sánchez, F. Santos, E. M. Santos, E. Sarazin, F. Sarmento, R. Sarmiento-Cano, C. 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. Shellard, R. C. 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. Streich, A. Suárez-Durán, M. Sudholz, T. Suomijärvi, T. Supanitsky, A. D. Szadkowski, Z. Tapia, A. Taricco, C. Timmermans, C. Tkachenko, O. Tobiska, P. Peixoto, C. J. Todero Tomé, B. Torrès, Z. Travaini, A. Travnicek, P. Trimarelli, C. Tueros, M. Ulrich, R. Unger, M. Vaclavek, L. Vacula, M. Galicia, J. F. Valdés Valore, L. Varela, E. Vásquez-Ramírez, A. Veberič, D. Ventura, C. Quispe, I. D. Vergara Verzi, V. Vicha, J. Vink, J. Vorobiov, S. Wahlberg, H. 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.
Publication Year :
2021
Abstract
Lorentz invariance violation (LIV) is often described by dispersion relations of the form $E_i^2=m_i^2+p_i^2+\delta_{i,n} E^{2+n}$ with delta different based on particle type $i$, with energy $E$, momentum $p$ and rest mass $m$. Kinematics and energy thresholds of interactions are modified once the LIV terms become comparable to the squared masses of the particles involved. Thus, the strongest constraints on the LIV coefficients $\delta_{i,n}$ tend to come from the highest energies. At sufficiently high energies, photons produced by cosmic ray interactions as they propagate through the Universe could be subluminal and unattenuated over cosmological distances. Cosmic ray interactions can also be modified and lead to detectable fingerprints in the energy spectrum and mass composition observed on Earth. The data collected at the Pierre Auger Observatory are therefore possibly sensitive to both the electromagnetic and hadronic sectors of LIV. In this article, we explore these two sectors by comparing the energy spectrum and the composition of cosmic rays and the upper limits on the photon flux from the Pierre Auger Observatory with simulations including LIV. Constraints on LIV parameters depend strongly on the mass composition of cosmic rays at the highest energies. For the electromagnetic sector, while no constraints can be obtained in the absence of protons beyond $10^{19}$ eV, we obtain $\delta_{\gamma,0} > -10^{-21}$, $\delta_{\gamma,1} > -10^{-40}$ eV$^{-1}$ and $\delta_{\gamma,2} > -10^{-58}$ eV$^{-2}$ in the case of a subdominant proton component up to $10^{20}$ eV. For the hadronic sector, we study the best description of the data as a function of LIV coefficients and we derive constraints in the hadronic sector such as $\delta_{\mathrm{had},0} < 10^{-19}$, $\delta_{\mathrm{had},1} < 10^{-38}$ eV$^{-1}$ and $\delta_{\mathrm{had},2}< 10^{-57}$ eV$^{-2}$ at 5$\sigma$ CL.<br />Comment: Comments: Published version, 22 pages, 8 figures, 2 tables