Constraining models for the origin of ultra-high-energy cosmic rays with a novel combined analysis of arrival directions, spectrum, and composition data measured at the Pierre Auger Observatory
Authors: 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. , 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. , 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. , 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. , 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 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 J.C. , dos Anjos R.C. , Ebr J. , Ellwanger F. , Emam M. , Engel R. , Epicoco I. , Erdmann M. , Etchegoyen A. , Evoli C. , Falcke H. , Farmer J. , 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. , 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. , 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. , Knapp F. , Kunka N. , Lago B.L. , Langner N. , Leigui de Oliveira M.A. , Lema-Capeans Y. , Lenok V. , Letessier-Selvon A. , Lhenry-Yvon I. , Lo Presti D. , Lopes L. , Lu L. , Luce Q. , Lundquist J.P. , Machado Payeras A. , Majercakova M. , Mandat D. , Manning B.C. , 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. , Meinert J. , Melo D. , Menshikov A. , Merx C. , 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. , Nosek D. , Novotny V. , Nožka L. , Nucita A. , Núñez L.A. , Oliveira C. , Palatka M. , Pallotta J. , Parente G. , 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. , Puyleart A. , Querchfeld S. , Rautenberg J. , Ravignani D. , 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. , 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. , Simon F. , 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. , Suomijärvi T. , Supanitsky A.D. , Svozilikova Z. , 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. , 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. , Vlastimil 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. ,   The Pierre Auger collaboration
Published: January 2024

Abstract
The combined fit of the measured energy spectrum and shower maximum depth distributions of ultra-high-energy cosmic rays is known to constrain the parameters of astrophysical models with homogeneous source distributions. Studies of the distribution of the cosmic-ray arrival directions show a better agreement with models in which a fraction of the flux is non-isotropic and associated with the nearby radio galaxy Centaurus A or with catalogs such as that of starburst galaxies.
Here, we present a novel combination of both analyses by a simultaneous fit of arrival directions, energy spectrum, and composition data measured at the Pierre Auger Observatory. The model takes into account a rigidity-dependent magnetic field blurring and an energy-dependent evolution of the catalog contribution shaped by interactions during propagation.

We find that a model containing a flux contribution from the starburst galaxy catalog of around 20% at 40 EeV with a magnetic field blurring of around 20° for a rigidity of 10 EV provides a fair simultaneous description of all three observables.
The starburst galaxy model is favored with a significance of 4.5σ (considering experimental systematic effects) compared to a reference model with only homogeneously distributed background sources. By investigating a scenario with Centaurus A as a single source in combination with the homogeneous background, we confirm that this region of the sky provides the dominant contribution to the observed anisotropy signal. Models containing a catalog of jetted active galactic nuclei whose flux scales with the γ-ray emission are, however, disfavored as they cannot adequately describe the measured arrival directions.