Multi-species Ion Acceleration in 3D Magnetic Reconnection

物理 磁重联 质点加速度 加速度 费米加速度 离子 电子 等离子体 焊剂(冶金) 原子物理学 试验粒子 计算物理学 天体物理学 核物理学 经典力学 量子力学 冶金 材料科学
作者
Qile Zhang,Fan Guo,W. Daughton,Hui Li,A. Lê,T. D. Phan,Mihir Desai
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:1
标识
DOI:10.48550/arxiv.2210.04113
摘要

Magnetic reconnection drives explosive particle acceleration in a wide range of space and astrophysical applications. The energized particles often include multiple species (electrons, protons, heavy ions), but the underlying acceleration mechanism is poorly understood. In-situ observations of these minority heavy ions offer a more stringent test of acceleration mechanisms, but the multi-scale nature of reconnection hinders studies on heavy-ion acceleration. Here we employ hybrid simulations (fluid electron, kinetic ions) to capture 3D reconnection over an unprecedented range of scales. For the first time, our simulations demonstrate nonthermal acceleration of all available ion species into power-law spectra. The reconnection layers consist of fragmented kinking flux ropes as part of the reconnection-driven turbulence, which produces field-line chaos critical for accelerating all species. The upstream ion velocities influence the first Fermi reflection for injection. Then lower charge/mass species initiate Fermi acceleration at later times as they interact with growing flux ropes. The resulting spectra have similar power-law indices $(p\sim4.5)$, but different maximum energy/nucleon $\propto($charge/mass$)^\alpha$, with $\alpha\sim0.6$ for low plasma $\beta$, and with $p$ and $\alpha$ increasing as $\beta$ approaches unity. These findings are consistent with observations at heliospheric current sheets and the magnetotail, and provide strong evidence suggesting Fermi acceleration as the dominant ion-acceleration mechanism.

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