Direct measurement of the muonic content of extensive air showers between and eV at the Pierre Auger Observatory

A. Aab; P. Abreu; M. Aglietta; J. M. Albury; I. Allekotte; A. Almela; J. Alvarez Castillo; J. Alvarez-Muñiz; G. A. Anastasi; L. Anchordoqui; B. Andrada; S. Andringa; C. Aramo; P. R. Araújo Ferreira; H. Asorey; P. Assis; G. Avila; A. M. Badescu; A. Bakalova; A. Balaceanu; F. Barbato; R. J. Barreira Luz; K. H. Becker; J. A. Bellido; C. Berat; M. E. Bertaina; X. Bertou; P. L. Biermann; T. Bister; J. Biteau; A. Blanco; J. Blazek; C. Bleve; M. Boháčová; D. Boncioli; C. Bonifazi; L. Bonneau Arbeletche; N. Borodai; A. M. Botti; J. Brack; T. Bretz; F. L. Briechle; P. Buchholz; A. Bueno; S. Buitink; M. Buscemi; K. S. Caballero-Mora; L. Caccianiga; L. Calcagni; A. Cancio; F. Canfora; I. Caracas; J. M. Carceller; R. Caruso; A. Castellina; F. Catalani; G. Cataldi; L. Cazon; M. Cerda; J. A. Chinellato; K. Choi; 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; C. E. Covault; S. Dasso; K. Daumiller; B. R. Dawson; J. A. Day; R. M. de Almeida; J. de Jesús; S. J. de Jong; G. De Mauro; J. R. T. de Mello Neto; I. De Mitri; J. de Oliveira; D. de Oliveira Franco; V. de Souza; J. Debatin; M. del Río; O. Deligny; N. Dhital; A. Di Matteo; M. L. Díaz Castro; C. Dobrigkeit; J. C. D’Olivo; Q. Dorosti; R. C. dos Anjos; M. T. Dova; J. Ebr; 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; M. M. Freire; T. Fujii; A. Fuster; C. Galea; C. Galelli; B. García; A. L. Garcia Vegas; H. Gemmeke; F. Gesualdi; A. Gherghel-Lascu; P. L. Ghia; U. Giaccari; M. Giammarchi; M. Giller; J. Glombitza; F. Gobbi; G. Golup; M. Gómez Berisso; P. F. Gómez Vitale; J. P. Gongora; N. González; I. Goos; D. Góra; A. Gorgi; M. Gottowik; T. D. Grubb; F. Guarino; G. P. Guedes; E. Guido; S. Hahn; R. Halliday; M. R. Hampel; P. Hansen; D. Harari; V. M. Harvey; A. Haungs; T. Hebbeker; D. Heck; G. C. Hill; C. Hojvat; J. R. Hörandel; P. Horvath; M. Hrabovský; T. Huege; J. Hulsman; A. Insolia; P. G. Isar; J. A. Johnsen; J. Jurysek; A. Kääpä; K. H. Kampert; B. Keilhauer; J. Kemp; H. O. Klages; M. Kleifges; J. Kleinfeller; M. Köpke; G. Kukec Mezek; B. L. Lago; D. LaHurd; R. G. Lang; M. A. Leigui de Oliveira; V. Lenok; A. Letessier-Selvon; I. Lhenry-Yvon; D. Lo Presti; L. Lopes; R. López; A. López Casado; R. Lorek; Q. Luce; A. Lucero; A. Machado Payeras; M. Malacari; G. Mancarella; D. Mandat; B. C. Manning; J. Manshanden; P. Mantsch; A. G. Mariazzi; I. C. Mariş; G. Marsella; D. Martello; H. Martinez; O. Martínez Bravo; M. Mastrodicasa; H. J. Mathes; J. Matthews; G. Matthiae; E. Mayotte; P. O. Mazur; G. Medina-Tanco; D. Melo; A. Menshikov; K.-D. Merenda; S. Michal; M. I. Micheletti; L. Miramonti; D. Mockler; S. Mollerach; F. Montanet; C. Morello; M. Mostafá; A. L. Müller; M. A. Muller; S. Müller; R. Mussa; M. Muzio; W. M. Namasaka; L. Nellen; M. Niculescu-Oglinzanu; M. Niechciol; D. Nitz; D. Nosek; V. Novotny; L. Nožka; A Nucita; L. A. Núñez; M. Palatka; J. Pallotta; M. P. Panetta; P. Papenbreer; G. Parente; A. Parra; M. Pech; F. Pedreira; J. Pȩkala; R. Pelayo; J. Peña-Rodriguez; J. Perez Armand; M. Perlin; L. Perrone; C. Peters; S. Petrera; T. Pierog; M. Pimenta; V. Pirronello; M. Platino; B. Pont; M. Pothast; P. Privitera; M. Prouza; A. Puyleart; S. Querchfeld; J. Rautenberg; D. Ravignani; M. Reininghaus; J. Ridky; F. Riehn; M. Risse; P. Ristori; V. Rizi; W. Rodrigues de Carvalho; J. Rodriguez Rojo; M. J. Roncoroni; M. Roth; E. Roulet; A. C. Rovero; P. Ruehl; S. J. Saffi; A. Saftoiu; F. Salamida; H. Salazar; G. Salina; J. D. Sanabria Gomez; F. Sánchez; E. M. Santos; E. Santos; F. Sarazin; R. Sarmento; C. Sarmiento-Cano; R. Sato; P. Savina; C. Schäfer; V. Scherini; H. Schieler; M. Schimassek; M. Schimp; F. Schlüter; D. Schmidt; O. Scholten; P. Schovánek; F. G. Schröder; S. Schröder; S. J. Sciutto; M. Scornavacche; R. C. Shellard; G. Sigl; G. Silli; O. Sima; R. Šmída; P. Sommers; J. F. Soriano; J. Souchard; R. Squartini; M. Stadelmaier; D. Stanca; S. Stanič; J. Stasielak; P. Stassi; A. Streich; M. Suárez-Durán; T. Sudholz; T. Suomijärvi; A. D. Supanitsky; J. Šupík; Z. Szadkowski; A. Taboada; O. A. Taborda; A. Tapia; C. Timmermans; P. Tobiska; C. J. Todero Peixoto; B. Tomé; G. Torralba Elipe; A. Travaini; P. Travnicek; C. Trimarelli; M. Trini; M. Tueros; R. Ulrich; M. Unger; M. Urban; L. Vaclavek; J. F. Valdés Galicia; I. Valiño; L. Valore; A. van Vliet; E. Varela; B. Vargas Cárdenas; A. Vásquez-Ramírez; D. Veberič; C. Ventura; I. D. Vergara Quispe; V. Verzi; J. Vicha; L. Villaseñor; J. Vink; S. Vorobiov; H. Wahlberg; A. A. Watson; M. Weber; A. Weindl; L. Wiencke; H. Wilczyński; T. Winchen; M. Wirtz; D. Wittkowski; B. Wundheiler; A. Yushkov; O. Zapparrata; E. Zas; D. Zavrtanik; M. Zavrtanik; L. Zehrer; A. Zepeda; M. Ziolkowski; F. Zuccarello

doi:10.1140/epjc/s10052-020-8055-y

2023 Impact factor 4.2

Particles and Fields

Open Access

Eur. Phys. J. C (2020) 80: 751
https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-020-8055-y

Regular Article - Experimental Physics

Direct measurement of the muonic content of extensive air showers between $\mathbf { 2\times 10^{17}}$ and $\mathbf {2\times 10^{18}}~$ eV at the Pierre Auger Observatory

A. Aab⁷⁵, P. Abreu⁶⁷, M. Aglietta⁴⁹^,50, J. M. Albury¹², I. Allekotte¹, A. Almela⁸^,11, J. Alvarez Castillo⁶³, J. Alvarez-Muñiz⁷⁴, G. A. Anastasi⁴⁹^,58, L. Anchordoqui⁸², B. Andrada⁸, S. Andringa⁶⁷, C. Aramo⁴⁷, P. R. Araújo Ferreira³⁹, H. Asorey⁸, P. Assis⁶⁷, G. Avila⁹^,10, A. M. Badescu⁷⁰, A. Bakalova³⁰, A. Balaceanu⁶⁸, F. Barbato⁴⁷^,56, R. J. Barreira Luz⁶⁷, K. H. Becker³⁵, J. A. Bellido¹², C. Berat³⁴, M. E. Bertaina⁴⁹^,58, X. Bertou¹, P. L. Biermann, T. Bister³⁹, J. Biteau³², A. Blanco⁶⁷, J. Blazek³⁰, C. Bleve³⁴, M. Boháčová³⁰, D. Boncioli⁴³, C. Bonifazi²⁴, L. Bonneau Arbeletche¹⁹, N. Borodai⁶⁴, A. M. Botti⁸, J. Brack, T. Bretz³⁹, F. L. Briechle³⁹, P. Buchholz⁴¹, A. Bueno⁷³, S. Buitink¹⁴, M. Buscemi⁴⁴^,54, K. S. Caballero-Mora⁶², L. Caccianiga⁵⁵, L. Calcagni⁴, A. Cancio⁸^,11, F. Canfora⁷⁵^,77, I. Caracas³⁵, J. M. Carceller⁷³, R. Caruso⁴⁴^,54, A. Castellina⁴⁹^,50, F. Catalani¹⁷, G. Cataldi⁴⁵, L. Cazon⁶⁷, M. Cerda⁹, J. A. Chinellato²⁰, K. Choi¹³, J. Chudoba³⁰, L. Chytka³¹, R. W. Clay¹², A. C. Cobos Cerutti⁷, R. Colalillo⁴⁷^,56, A. Coleman⁸⁸, M. R. Coluccia⁴⁵^,52, R. Conceição⁶⁷, A. Condorelli⁴²^,43, G. Consolati⁴⁶^,51, F. Contreras⁹^,10, F. Convenga⁴⁵^,52, C. E. Covault⁸⁰, S. Dasso³^,5, K. Daumiller³⁷, B. R. Dawson¹², J. A. Day¹², R. M. de Almeida²⁶, J. de Jesús⁸^,37, S. J. de Jong⁷⁵^,77, G. De Mauro⁷⁵^,77, J. R. T. de Mello Neto²⁴^,25, I. De Mitri⁴²^,43, J. de Oliveira²⁶, D. de Oliveira Franco²⁰, V. de Souza¹⁸, J. Debatin³⁶, M. del Río¹⁰, O. Deligny³², N. Dhital⁶⁴, A. Di Matteo⁴⁹, M. L. Díaz Castro²⁰, C. Dobrigkeit²⁰, J. C. D’Olivo⁶³, Q. Dorosti⁴¹, R. C. dos Anjos²³, M. T. Dova⁴, J. Ebr³⁰, R. Engel³⁶^,37, I. Epicoco⁴⁵^,52, M. Erdmann³⁹, C. O. Escobar, A. Etchegoyen⁸^,11, H. Falcke⁷⁵^,77^,78, J. Farmer⁸⁷, G. Farrar⁸⁵, A. C. Fauth²⁰, N. Fazzini, F. Feldbusch³⁸, F. Fenu⁴⁹^,58, B. Fick⁸⁴, J. M. Figueira⁸, A. Filipčič⁷¹^,72, M. M. Freire⁶, T. Fujii⁸⁷, A. Fuster⁸^,11, C. Galea⁷⁵, C. Galelli⁴⁶^,55, B. García⁷, A. L. Garcia Vegas³⁹, H. Gemmeke³⁸, F. Gesualdi⁸^,37, A. Gherghel-Lascu⁶⁸, P. L. Ghia³², U. Giaccari⁷⁵, M. Giammarchi⁴⁶, M. Giller⁶⁵, J. Glombitza³⁹, F. Gobbi⁹, G. Golup¹, M. Gómez Berisso¹, P. F. Gómez Vitale⁹^,10, J. P. Gongora⁹, N. González⁸, I. Goos¹^,37, D. Góra⁶⁴, A. Gorgi⁴⁹^,50, M. Gottowik³⁵, T. D. Grubb¹², F. Guarino⁴⁷^,56, G. P. Guedes²¹, E. Guido⁴⁹^,58, S. Hahn⁸^,37, R. Halliday⁸⁰, M. R. Hampel⁸, P. Hansen⁴, D. Harari¹, V. M. Harvey¹², A. Haungs³⁷, T. Hebbeker³⁹, D. Heck³⁷, G. C. Hill¹², C. Hojvat, J. R. Hörandel⁷⁵^,77, P. Horvath³¹, M. Hrabovský³¹, T. Huege¹⁴^,37, J. Hulsman⁸^,37, A. Insolia⁴⁴^,54, P. G. Isar⁶⁹, J. A. Johnsen⁸¹, J. Jurysek³⁰, A. Kääpä³⁵, K. H. Kampert³⁵, B. Keilhauer³⁷, J. Kemp³⁹, H. O. Klages³⁷, M. Kleifges³⁸, J. Kleinfeller⁹, M. Köpke³⁶, G. Kukec Mezek⁷¹, B. L. Lago¹⁶, D. LaHurd⁸⁰, R. G. Lang¹⁸, M. A. Leigui de Oliveira²², V. Lenok³⁷, A. Letessier-Selvon³³, I. Lhenry-Yvon³², D. Lo Presti⁴⁴^,54, L. Lopes⁶⁷, R. López⁵⁹, A. López Casado⁷⁴, R. Lorek⁸⁰, Q. Luce³⁶, A. Lucero⁸, A. Machado Payeras²⁰, M. Malacari⁸⁷, G. Mancarella⁴⁵^,52, D. Mandat³⁰, B. C. Manning¹², J. Manshanden⁴⁰, P. Mantsch, A. G. Mariazzi⁴, I. C. Mariş¹³, G. Marsella⁴⁵^,52, D. Martello⁴⁵^,52, H. Martinez¹⁸, O. Martínez Bravo⁵⁹, M. Mastrodicasa⁴³^,53, H. J. Mathes³⁷, J. Matthews⁸³, G. Matthiae⁴⁸^,57, E. Mayotte³⁵, P. O. Mazur, G. Medina-Tanco⁶³, D. Melo⁸, A. Menshikov³⁸, K.-D. Merenda⁸¹, S. Michal³¹, M. I. Micheletti⁶, L. Miramonti⁴⁶^,55, D. Mockler¹³, S. Mollerach¹, F. Montanet³⁴, C. Morello⁴⁹^,50, M. Mostafá⁸⁶, A. L. Müller⁸^,37, M. A. Muller²⁰^,24, S. Müller³⁶, R. Mussa⁴⁹, M. Muzio⁸⁵, W. M. Namasaka³⁵, L. Nellen⁶³, M. Niculescu-Oglinzanu⁶⁸, M. Niechciol⁴¹, D. Nitz⁸⁴, D. Nosek²⁹, V. Novotny²⁹, L. Nožka³¹, A Nucita⁴⁵^,52, L. A. Núñez²⁸, M. Palatka³⁰, J. Pallotta², M. P. Panetta⁴⁵^,52, P. Papenbreer³⁵, G. Parente⁷⁴, A. Parra⁵⁹, M. Pech³⁰, F. Pedreira⁷⁴, J. Pȩkala⁶⁴, R. Pelayo⁶¹, J. Peña-Rodriguez²⁸, J. Perez Armand¹⁹, M. Perlin⁸^,37, L. Perrone⁴⁵^,52, C. Peters³⁹, S. Petrera⁴²^,43, T. Pierog³⁷, M. Pimenta⁶⁷, V. Pirronello⁴⁴^,54, M. Platino⁸, B. Pont⁷⁵, M. Pothast⁷⁵^,77, P. Privitera⁸⁷, M. Prouza³⁰, A. Puyleart⁸⁴, S. Querchfeld³⁵, J. Rautenberg³⁵, D. Ravignani⁸, M. Reininghaus⁸^,37, J. Ridky³⁰, F. Riehn⁶⁷, M. Risse⁴¹, P. Ristori², V. Rizi⁴³^,53, W. Rodrigues de Carvalho¹⁹, J. Rodriguez Rojo⁹, M. J. Roncoroni⁸, M. Roth³⁷, E. Roulet¹, A. C. Rovero⁵, P. Ruehl⁴¹, S. J. Saffi¹², A. Saftoiu⁶⁸, F. Salamida⁴³^,53, H. Salazar⁵⁹, G. Salina⁴⁸, J. D. Sanabria Gomez²⁸, F. Sánchez⁸, E. M. Santos¹⁹, E. Santos³⁰, F. Sarazin⁸¹, R. Sarmento⁶⁷, C. Sarmiento-Cano⁸, R. Sato⁹, P. Savina³²^,45^,52, C. Schäfer³⁷, V. Scherini⁴⁵, H. Schieler³⁷, M. Schimassek⁸^,36, M. Schimp³⁵, F. Schlüter⁸^,37, D. Schmidt³⁶, O. Scholten¹⁴^,76, P. Schovánek³⁰, F. G. Schröder³⁷^,88, S. Schröder³⁵, S. J. Sciutto⁴, M. Scornavacche⁸^,37, R. C. Shellard¹⁵, G. Sigl⁴⁰, G. Silli⁸^,37, O. Sima⁶⁸, R. Šmída⁸⁷, P. Sommers⁸⁶, J. F. Soriano⁸², J. Souchard³⁴, R. Squartini⁹, M. Stadelmaier⁸^,37, D. Stanca⁶⁸, S. Stanič⁷¹, J. Stasielak⁶⁴, P. Stassi³⁴, A. Streich⁸^,36, M. Suárez-Durán²⁸, T. Sudholz¹², T. Suomijärvi³², A. D. Supanitsky⁸, J. Šupík³¹, Z. Szadkowski⁶⁶, A. Taboada³⁶, O. A. Taborda¹, A. Tapia²⁷, C. Timmermans⁷⁵^,77, P. Tobiska³⁰, C. J. Todero Peixoto¹⁷, B. Tomé⁶⁷, G. Torralba Elipe⁷⁴, A. Travaini⁹, P. Travnicek³⁰, C. Trimarelli⁴³^,53, M. Trini⁷¹, M. Tueros⁴, R. Ulrich³⁷, M. Unger³⁷, M. Urban³⁹, L. Vaclavek³¹, J. F. Valdés Galicia⁶³, I. Valiño⁴²^,43, L. Valore⁴⁷^,56, A. van Vliet⁷⁵, E. Varela⁵⁹, B. Vargas Cárdenas⁶³, A. Vásquez-Ramírez²⁸, D. Veberič³⁷, C. Ventura²⁵, I. D. Vergara Quispe⁴, V. Verzi⁴⁸, J. Vicha³⁰, L. Villaseñor⁵⁹, J. Vink⁷⁹, S. Vorobiov⁷¹, H. Wahlberg⁴, A. A. Watson, M. Weber³⁸, A. Weindl³⁷, L. Wiencke⁸¹, H. Wilczyński⁶⁴, T. Winchen¹⁴, M. Wirtz³⁹, D. Wittkowski³⁵, B. Wundheiler⁸, A. Yushkov³⁰, O. Zapparrata¹³, E. Zas⁷⁴, D. Zavrtanik⁷¹^,72, M. Zavrtanik⁷¹^,72, L. Zehrer⁷¹, A. Zepeda⁶⁰, M. Ziolkowski⁴¹, F. Zuccarello⁴⁴^,54 and The Pierre Auger Collaboration

¹ Centro Atómico Bariloche and Instituto Balseiro (CNEA-UNCuyo-CONICET), San Carlos de Bariloche, Argentina
² Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CITEDEF and CONICET, Villa Martelli, Argentina
³ Departamento de Física and Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires and CONICET, Buenos Aires, Argentina
⁴ IFLP, Universidad Nacional de La Plata and CONICET, La Plata, Argentina
⁵ Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE CONICET-UBA), Buenos Aires, Argentina
⁶ Instituto de Física de Rosario (IFIR) – CONICET/U.N.R. and Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas U.N.R., Rosario, Argentina
⁷ Instituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET, UNSAM) and Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Mendoza (CONICET/CNEA), Mendoza, Argentina
⁸ Instituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (CNEA, CONICET UNSAM), Buenos Aires, Argentina
⁹ Observatorio Pierre Auger, Malargüe, Argentina
¹⁰ Observatorio Pierre Auger and Comisión Nacional de Energía Atómica, Malargüe, Argentina
¹¹ Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina
¹² University of Adelaide, Adelaide, SA, Australia
¹³ Université Libre de Bruxelles (ULB), Brussels, Belgium
¹⁴ Vrije Universiteit Brussels, Brussels, Belgium
¹⁵ Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, Rio de Janeiro, RJ, Brazil
¹⁶ Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, Nova Friburgo, Brazil
¹⁷ Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de Lorena, Lorena, SP, Brazil
¹⁸ Universidade de São Paulo, Instituto de Física de São Carlos, São Carlos, SP, Brazil
¹⁹ Universidade de São Paulo, Instituto de Física, São Paulo, SP, Brazil
²⁰ Universidade Estadual de Campinas, IFGW, Campinas, SP, Brazil
²¹ Universidade Estadual de Feira de Santana, Feira de Santana, Brazil
²² Universidade Federal do ABC, Santo André, SP, Brazil
²³ Universidade Federal do Paraná, Setor Palotina, Palotina, Brazil
²⁴ Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Física, Rio de Janeiro, RJ, Brazil
²⁵ Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Observatório do Valongo, Rio de Janeiro, RJ, Brazil
²⁶ Universidade Federal Fluminense, EEIMVR, Volta Redonda, RJ, Brazil
²⁷ Universidad de Medellín, Medellín, Colombia
²⁸ Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia
²⁹ Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Institute of Particle and Nuclear Physics, Prague, Czech Republic
³⁰ Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czech Republic
³¹ Palacky University, RCPTM, Olomouc, Czech Republic
³² Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, Orsay, France
³³ Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies (LPNHE), Universités Paris 6 et Paris 7 CNRS-IN2P3, Paris, France
³⁴ Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes, LPSC-IN2P3, 38000, Grenoble, France
³⁵ Department of Physics, Bergische Universität Wuppertal, Wuppertal, Germany
³⁶ Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Experimental Particle Physics (ETP), Karlsruhe, Germany
³⁷ Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Kernphysik, Karlsruhe, Germany
³⁸ Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik, Karlsruhe, Germany
³⁹ RWTH Aachen University, III. Physikalisches Institut A, Aachen, Germany
⁴⁰ Universität Hamburg, II. Institut für Theoretische Physik, Hamburg, Germany
⁴¹ Universität Siegen, Fachbereich 7 Physik – Experimentelle Teilchenphysik, Siegen, Germany
⁴² Gran Sasso Science Institute, L’Aquila, Italy
⁴³ INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, L’Aquila, Italy
⁴⁴ INFN, Sezione di Catania, Catania, Italy
⁴⁵ INFN, Sezione di Lecce, Lecce, Italy
⁴⁶ INFN, Sezione di Milano, Milano, Italy
⁴⁷ INFN, Sezione di Napoli, Napoli, Italy
⁴⁸ INFN, Sezione di Roma “Tor Vergata”, Rome, Italy
⁴⁹ INFN, Sezione di Torino, Torino, Italy
⁵⁰ Osservatorio Astrofisico di Torino (INAF), Torino, Italy
⁵¹ Politecnico di Milano, Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali, Milano, Italy
⁵² Dipartimento di Matematica e Fisica “E. De Giorgi”, Università del Salento, Lecce, Italy
⁵³ Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche, Università dell’Aquila, L’Aquila, Italy
⁵⁴ Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Catania, Catania, Italy
⁵⁵ Dipartimento di Fisica, Università di Milano, Milano, Italy
⁵⁶ Dipartimento di Fisica “Ettore Pancini”, Università di Napoli “Federico II”, Napoli, Italy
⁵⁷ Dipartimento di Fisica, Università di Roma “Tor Vergata”, Rome, Italy
⁵⁸ Dipartimento di Fisica, Università Torino, Torino, Italy
⁵⁹ Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Puebla, Mexico
⁶⁰ Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN (CINVESTAV), Mexico, D.F., Mexico
⁶¹ Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas del Instituto Politécnico Nacional (UPIITA-IPN), Mexico, D.F., Mexico
⁶² Universidad Autónoma de Chiapas, Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, Mexico
⁶³ Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico, D.F., Mexico
⁶⁴ Institute of Nuclear Physics PAN, Krakow, Poland
⁶⁵ Faculty of Astrophysics, University of Łódź, Łódź, Poland
⁶⁶ Faculty of High-Energy Astrophysics, University of Łódź, Łódź, Poland
⁶⁷ Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas – LIP and Instituto Superior Técnico – IST, Universidade de Lisboa – UL, Lisbon, Portugal
⁶⁸ “Horia Hulubei” National Institute for Physics and Nuclear Engineering, Bucharest-Magurele, Romania
⁶⁹ Institute of Space Science, Bucharest-Magurele, Romania
⁷⁰ University Politehnica of Bucharest, Bucharest, Romania
⁷¹ Center for Astrophysics and Cosmology (CAC), University of Nova Gorica, Nova Gorica, Slovenia
⁷² Experimental Particle Physics Department, J. Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia
⁷³ Universidad de Granada and C.A.F.P.E., Granada, Spain
⁷⁴ Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), Universidade de Santiago de Compostela, Santiago de Compostela, Spain
⁷⁵ IMAPP, Radboud University Nijmegen, Nijmegen, The Netherlands
⁷⁶ KVI – Center for Advanced Radiation Technology, University of Groningen, Groningen, The Netherlands
⁷⁷ Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica (NIKHEF), Science Park, Amsterdam, The Netherlands
⁷⁸ Stichting Astronomisch Onderzoek in Nederland (ASTRON), Dwingeloo, The Netherlands
⁷⁹ Universiteit van Amsterdam, Faculty of Science, Amsterdam, The Netherlands
⁸⁰ Case Western Reserve University, Cleveland, OH, USA
⁸¹ Colorado School of Mines, Golden, CO, USA
⁸² Department of Physics and Astronomy, Lehman College, City University of New York, Bronx, NY, USA
⁸³ Louisiana State University, Baton Rouge, LA, USA
⁸⁴ Michigan Technological University, Houghton, MI, USA
⁸⁵ New York University, New York, NY, USA
⁸⁶ Pennsylvania State University, University Park, PA, USA
⁸⁷ University of Chicago, Enrico Fermi Institute, Chicago, IL, USA
⁸⁸ University of Delaware, Department of Physics and Astronomy, Bartol Research Institute, Newark, DE, USA
⁸⁹ The Pierre Auger Observatory, Av. San Martín Norte 306, Malargüe, Mendoza, 5613, Argentina

^* e-mail: auger_spokespersons@fnal.gov

Received: 13 February 2020
Accepted: 18 May 2020
Published online: 18 August 2020

Abstract

The hybrid design of the Pierre Auger Observatory allows for the measurement of the properties of extensive air showers initiated by ultra-high energy cosmic rays with unprecedented precision. By using an array of prototype underground muon detectors, we have performed the first direct measurement, by the Auger Collaboration, of the muon content of air showers between $2\times 10^{17}$ and $2\times 10^{18}$ eV. We have studied the energy evolution of the attenuation-corrected muon density, and compared it to predictions from air shower simulations. The observed densities are found to be larger than those predicted by models. We quantify this discrepancy by combining the measurements from the muon detector with those from the Auger fluorescence detector at $10^{{17.5}}\, {\mathrm{eV}}$ and $10^{{18}}\, {\mathrm{eV}}$ . We find that, for the models to explain the data, an increase in the muon density of $38\%$ $\pm 4\% (12\%)$ $\pm {}^{21\%}_{18\%}$ for EPOS-LHC, and of $50\% (53\%)$ $\pm 4\% (13\%)$ $\pm {}^{23\%}_{20\%}$ for QGSJetII-04, is respectively needed.