Journal Article GSI-2026-00199

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Multimuons in cosmic-ray events as seen in ALICE at the LHC

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2025
IOP London

Journal of cosmology and astroparticle physics 04(04), 009 () [10.1088/1475-7516/2025/04/009]

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Report No.: CERN-EP-2024-263; arXiv:2410.17771

Abstract: ALICE is a large experiment at the CERN Large Hadron Collider. Located 52 meters underground, its detectors are suitable to measure muons produced by cosmic-ray interactions in the atmosphere. In this paper, the studies of the cosmic muons registered by ALICE during Run 2 (2015–2018) are described.The analysis is limited to multimuon events defined as events with more than four detected muons ($N_{μ}$ > 4) and in the zenith angle range 0° < θ < 50°. The results are compared with Monte Carlo simulations using three of the main hadronic interaction models describing the air shower development in the atmosphere: QGSJET-II-04, EPOS-LHC, and SIBYLL 2.3d.The interval of the primary cosmic-ray energy involved in the measuredmuon multiplicity distribution is about 4 × 10$^{15}$ < E$_{prim}$ < 6 × 10$^{16}$ eV.In this interval none of the three models is able to describe precisely the trend of the composition of cosmic rays as the energy increases. However,QGSJET-II-04 is found to be the only model capable of reproducing reasonably well the muon multiplicity distribution, assuming a heavy composition of the primary cosmic raysover the whole energy range, while SIBYLL 2.3d and EPOS-LHC underpredict thenumber of muons in a large interval of multiplicity by more than 20% and 30%, respectively.The rate of high muon multiplicity events (Nμ > 100) obtainedwith QGSJET-II-04 and SIBYLL 2.3d is compatible with the data, while EPOS-LHC produces a significantly lower rate (55% of the measured rate). For both QGSJET-II-04 and SIBYLL 2.3d, the rate is close to the data when the composition is assumed to be dominated by heavy elements, an outcome compatible with the average energy E$_{prim}$ ∼ 10$^{17}$ eV of these events.This result places significant constraints on more exotic production mechanisms.

Keyword(s): cosmic ray experiments ; cosmic rays detectors

Classification:

Note: Original content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 licence.

Contributing Institute(s):
  1. ALICE (ALI)
  2. Detektorlabor (DTL)
  3. IT (CIT)
  4. ExtreMe Matter Institute, EMMI (EXM)
  5. Collaboration CERN: ALICE (ALICE@CERN)
Research Program(s):
  1. 612 - Cosmic Matter in the Laboratory (POF4-612) (POF4-612)
  2. HGS-HIRe - HGS-HIRe for FAIR (HGS-HIRe) (HGS-HIRe)
  3. SUC-GSI-Heidelberg - Strategic university cooperation GSI-U Heidelberg (SUC-GSI-HE) (SUC-GSI-HE)
  4. SUC-GSI-Frankfurt - Strategic university cooperation GSI-U Frankfurt/M (SUC-GSI-FR) (SUC-GSI-FR)
  5. SUC-GSI-Darmstadt - Strategic university cooperation GSI-TU Darmstadt (SUC-GSI-DA) (SUC-GSI-DA)
  6. STRONG-2020 - The strong interaction at the frontier of knowledge: fundamental research and applications (824093) (824093)
Experiment(s):
  1. LHC: ALICE

Appears in the scientific report 2025
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Infrastructure > Detector Laboratory
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Multimuons in cosmic-ray events as seen in ALICE at the LHC
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