Using incoherent Thomson scattering, electron heating and acceleration at the electron velocity distribution function (EVDF) level are investigated during electron-only reconnection in the PHAse Space MApping (PHASMA) facility. Reconnection arises during the merger of two kink-free flux ropes. Both push and pull type reconnection occur in a single discharge. Electron heating is localized around the separatrix, and the electron temperature increases continuously along the separatrix with distance from the X-line. The local measured gain in enthalpy flux is up to 70% of the incoming Poynting flux. Notably, non-Maxwellian EVDFs comprised of a warm bulk population and a cold beam are directly measured during the electron-only reconnection. The electron beam velocity is comparable to, and scales with, electron Alfvén speed, revealing the signature of electron acceleration caused by electron-only reconnection. The observation of oppositely directed electron beams on either side of the X-point provides “smoking-gun” evidence of the occurrence of electron-only reconnection in PHASMA. 2D particle-in-cell simulations agree well with the laboratory measurements. The measured conversion of Poynting flux into electron enthalpy is consistent with recent observations of electron-only reconnection in the magnetosheath [Phan et al., Nature 557, 202 (2018)] at similar dimensionless parameters as in the experiments. The laboratory measurements go beyond the magnetosheath observations by directly resolving the electron temperature gain.

1.
M.
Yamada
,
R.
Kulsrud
, and
H.
Ji
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
603
(
2010
).
2.
T. G.
Forbes
,
J. Geophys. Res.
105
,
23153
, (
2000
).
3.
4.
S.
von Goeler
,
W.
Stodiek
, and
N.
Sauthoff
,
Phys. Rev. Lett.
33
,
1201
(
1974
).
5.
A. W.
Edwards
,
D. J.
Campbell
,
W. W.
Engelhardt
,
H. U.
Fahrbach
,
R. D.
Gill
,
R. S.
Granetz
,
S.
Tsuji
,
B. J. D.
Tubbing
,
A.
Weller
,
J.
Wesson
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
57
,
210
(
1986
).
6.
E.
Scime
,
S.
Hokin
,
N.
Mattor
, and
C.
Watts
,
Phys. Rev. Lett.
68
,
2165
(
1992
).
7.
M.
Yamada
,
F. M.
Levinton
,
N.
Pomphrey
,
R.
Budny
,
J.
Manickam
, and
Y.
Nagayama
,
Phys. Plasmas
1
,
3269
(
1994
).
8.
J.
Gosling
,
D.
McComas
,
R.
Skoug
, and
C.
Smith
,
Geophys. Res. Lett.
33
,
L17102
, (
2006
).
9.
T. D.
Phan
,
M. A.
Shay
,
J. T.
Gosling
,
M.
Fujimoto
,
J. F.
Drake
,
G.
Paschmann
,
M.
Oieroset
,
J. P.
Eastwood
, and
V.
Angelopoulos
,
Geophys. Res. Lett.
40
,
4475
, (
2013
).
10.
E. M.
de Gouveia Dal Pino
,
P. P.
Piovezan
, and
L. H. S.
Kadowaki
,
Astron. Astrophys.
518
,
A5
(
2010
).
11.
R.
Wang
,
R.
Nakamura
,
Q.
Lu
,
W.
Baumjohann
,
R. E.
Ergun
,
J. L.
Burch
,
M.
Volwerk
,
A.
Varsani
,
T.
Nakamura
,
W.
Gonzalez
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
118
,
175101
(
2017
).
12.
J. P.
Eastwood
,
M. V.
Goldman
,
T. D.
Phan
,
J. E.
Stawarz
,
P. A.
Cassak
,
J. F.
Drake
,
D.
Newman
,
B.
Lavraud
,
M. A.
Shay
,
R. E.
Ergun
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
125
,
265102
(
2020
).
13.
M.
Yamada
,
J.
Yoo
,
J.
Jara-Almonte
,
H.
Ji
,
R. M.
Kulsrud
, and
C. E.
Myers
,
Nat. Commun.
5
,
4774
(
2014
).
14.
M.
Yamada
,
J.
Yoo
, and
C. E.
Myers
,
Phys. Plasmas
23
,
055402
(
2016
).
15.
J.
Yoo
,
B.
Na
,
J.
Jara-Almonte
,
M.
Yamada
,
H.
Ji
,
V.
Roytershteyn
,
M. R.
Argall
,
W.
Fox
, and
L.-J.
Chen
,
J. Geophys. Res.
122
,
9264
, (
2017
).
16.
M. A.
Shay
,
C. C.
Haggerty
,
T. D.
Phan
,
J. F.
Drake
,
P. A.
Cassak
,
P.
Wu
,
M.
Oieroset
,
M.
Swisdak
, and
K.
Malakit
,
Phys. Plasmas
21
,
122902
(
2014
).
17.
C.
Haggerty
,
M.
Shay
,
J.
Drake
,
T.
Phan
, and
C.
McHugh
,
Geophys. Res. Lett.
42
,
9657
, (
2015
).
18.
J.
Dahlin
,
J.
Drake
, and
M.
Swisdak
,
Phys. Plasmas
24
,
092110
(
2017
).
19.
Q.
Lu
,
H.
Wang
,
K.
Huang
,
R.
Wang
, and
S.
Wang
,
Phys. Plasmas
25
,
072126
(
2018
).
20.
E. G.
Zweibel
and
M.
Yamada
,
Annu. Rev. Astron. Astrophys.
47
,
291
(
2009
).
21.
M.
Hesse
and
P. A.
Cassak
,
J. Geophys. Res.
125
,
e2018JA025935
, (
2020
).
22.
I.
Gingell
,
S. J.
Schwartz
,
J. P.
Eastwood
,
J. L.
Burch
,
R. E.
Ergun
,
S.
Fuselier
,
D. J.
Gershman
,
B. L.
Giles
,
Y. V.
Khotyaintsev
,
B.
Lavraud
 et al.,
Geophys. Res. Lett.
46
,
1177
, (
2019
).
23.
J. E.
Stawarz
,
J. P.
Eastwood
,
T. D.
Phan
,
I. L.
Gingell
,
M. A.
Shay
,
J. L.
Burch
,
R. E.
Ergun
,
B. L.
Giles
,
D. J.
Gershman
,
O. L.
Contel
 et al.,
Astrophys. J. Lett.
877
,
L37
(
2019
).
24.
T. D.
Phan
,
J. P.
Eastwood
,
M. A.
Shay
,
J. F.
Drake
,
B. U. Ö.
Sonnerup
,
M.
Fujimoto
,
P. A.
Cassak
,
M.
Øieroset
,
J. L.
Burch
,
R. B.
Torbert
 et al.,
Nature
557
,
202
(
2018
).
25.
P.
Sharma Pyakurel
,
M. A.
Shay
,
T. D.
Phan
,
W. H.
Matthaeus
,
J. F.
Drake
,
J. M.
TenBarge
,
C. C.
Haggerty
,
K. G.
Klein
,
P. A.
Cassak
,
T. N.
Parashar
 et al.,
Phys. Plasmas
26
,
82307
(
2019
).
26.
P. S.
Pyakurel
,
M. A.
Shay
,
J. F.
Drake
,
T. D.
Phan
,
P. A.
Cassak
, and
J. L.
Verniero
,
Phys. Rev. Lett.
127
,
155101
(
2021
).
27.
F.
Califano
,
S. S.
Cerri
,
M.
Faganello
,
D.
Laveder
,
M.
Sisti
, and
M. W.
Kunz
,
Front. Phys.
8
,
317
(
2020
).
28.
C.
Vega
,
V.
Roytershteyn
,
G. L.
Delzanno
, and
S.
Boldyrev
,
Astrophys. J. Lett.
893
,
L10
(
2020
).
29.
G.
Arró
,
F.
Califano
, and
G.
Lapenta
,
Astron. Astrophys.
642
,
A45
(
2020
).
30.
N. F.
Loureiro
and
S.
Boldyrev
,
Astrophys. J.
890
,
55
(
2020
).
31.
R.
Wang
,
Q.
Lu
,
S.
Lu
,
C. T.
Russell
,
J. L.
Burch
,
D. J.
Gershman
,
W.
Gonzalez
, and
S.
Wang
,
Geophys. Res. Lett.
47
,
e2020GL088761
, (
2020
).
32.
N.
Bessho
,
L.-J.
Chen
,
S.
Wang
,
M.
Hesse
, and
L. B.
Wilson
 III
,
Geophys. Res. Lett.
46
,
9352
, (
2019
).
33.
N.
Bessho
,
L.-J.
Chen
,
S.
Wang
,
M.
Hesse
,
L. B.
Wilson
, and
J.
Ng
,
Phys. Plasmas
27
,
092901
(
2020
).
34.
W.
Fox
,
F.
Sciortino
,
A. v.
Stechow
,
J.
Jara-Almonte
,
J.
Yoo
,
H.
Ji
, and
M.
Yamada
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
125002
(
2017
).
35.
C.
Pollock
,
T.
Moore
,
A.
Jacques
,
J.
Burch
,
U.
Gliese
,
Y.
Saito
,
T.
Omoto
,
L.
Avanov
,
A.
Barrie
,
V.
Coffey
 et al.,
Space Sci. Rev.
199
,
331
(
2016
).
36.
C. P.
Escoubet
,
M.
Fehringer
, and
M.
Goldstein
,
Ann. Geophys.
19
,
1197
(
2001
).
37.
V.
Angelopoulos
, in
The THEMIS Mission
, edited by
J. L.
Burch
and
V.
Angelopoulos
(
Springer
,
New York
,
2009
).
38.
J. L.
Burch
,
T. E.
Moore
,
R. B.
Torbert
, and
B. L.
Giles
,
Space Sci. Rev.
199
,
5
(
2016
).
39.
M.
Hesse
,
T.
Neukirch
,
K.
Schindler
,
M.
Kuznetsova
, and
S.
Zenitani
,
Space Sci. Rev.
160
,
3
(
2011
).
40.
P.
Shi
,
P.
Srivastav
,
M. H.
Barbhuiya
,
P. A.
Cassak
,
E. E.
Scime
, and
M.
Swisdak
,
Phys. Rev. Lett.
128
,
025002
(
2022
).
41.
Y.
Ren
,
M.
Yamada
,
H.
Ji
,
S. P.
Gerhardt
, and
R.
Kulsrud
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
085003
(
2008
).
42.
J.
Olson
,
J.
Egedal
,
S.
Greess
,
R.
Myers
,
M.
Clark
,
D.
Endrizzi
,
K.
Flanagan
,
J.
Milhone
,
E.
Peterson
,
J.
Wallace
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
116
,
255001
(
2016
).
43.
Y.
Ono
,
H.
Tanabe
,
T.
Yamada
,
M.
Inomoto
,
T.
Ii
,
S.
Inoue
,
K.
Gi
,
T.
Watanabe
,
M.
Gryaznevich
,
R.
Scannell
 et al.,
Plasma Phys. Controlled Fusion
54
,
124039
(
2012
).
44.
H.
Tanabe
,
T.
Yamada
,
T.
Watanabe
,
K.
Gi
,
K.
Kadowaki
,
M.
Inomoto
,
R.
Imazawa
,
M.
Gryaznevich
,
C.
Michael
,
B.
Crowley
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
115
,
215004
(
2015
).
45.
W.
Fox
,
M.
Porkolab
,
J.
Egedal
,
N.
Katz
, and
A.
Le
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
255003
(
2008
).
46.
M. R.
Brown
,
Phys. Plasmas
6
,
1717
(
1999
).
47.
J. D.
Hare
,
L.
Suttle
,
S. V.
Lebedev
,
N. F.
Loureiro
,
A.
Ciardi
,
G. C.
Burdiak
,
J. P.
Chittenden
,
T.
Clayson
,
C.
Garcia
,
N.
Niasse
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
118
,
085001
(
2017
).
48.
A. L.
Milder
,
J.
Katz
,
R.
Boni
,
J. P.
Palastro
,
M.
Sherlock
,
W.
Rozmus
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Plasmas
28
,
82102
(
2021
).
49.
A. E.
Raymond
,
C. F.
Dong
,
A.
McKelvey
,
C.
Zulick
,
N.
Alexander
,
A.
Bhattacharjee
,
P. T.
Campbell
,
H.
Chen
,
V.
Chvykov
,
E. D.
Rio
 et al.,
Phys. Rev. E
98
,
043207
(
2018
).
50.
J. Y.
Zhong
,
J.
Lin
,
Y. T.
Li
,
X.
Wang
,
Y.
Li
,
K.
Zhang
,
D. W.
Yuan
,
Y. L.
Ping
,
H. G.
Wei
,
J. Q.
Wang
 et al.,
Astrophys. J.
225
,
30
(
2016
).
51.
Y.
Liu
,
P.
Shi
,
X.
Zhang
,
J.
Lei
, and
W.
Ding
,
Rev. Sci. Instrum.
92
,
71101
(
2021
).
52.
G. G.
Howes
,
Phys. Plasmas
25
,
055501
(
2018
).
53.
H. M.
Milchberg
and
E. E.
Scime
, arXiv:1910.09084 (
2019
).
54.
P.
Shi
,
P.
Srivastav
,
C.
Beatty
,
R.
John
,
M.
Lazo
,
J.
McKee
,
J.
McLaughlin
,
M.
Moran
,
M.
Paul
,
E. E.
Scime
 et al.,
Phys. Plasmas
28
,
32101
(
2021
).
55.
E. E.
Scime
,
C.
Beatty
,
D.
Caron
,
T.
Gilbert
,
A.
Jemiolo
,
R.
John
,
M.
Lazo
,
J.
McKee
,
M.
Moran
,
R. S.
Nirwan
 et al., in
2021 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA)
(
IEEE
,
2021
), p.
014
.
56.
T. P.
Intrator
,
X.
Sun
,
G.
Lapenta
,
L.
Dorf
, and
I.
Furno
,
Nat. Phys.
5
,
521
(
2009
).
57.
R. L.
Stenzel
and
W.
Gekelman
,
Phys. Rev. Lett.
42
,
1055
(
1979
).
58.
P.
Shi
,
K.
Huang
,
Q.
Lu
, and
X.
Sun
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
61
,
125010
(
2019
).
59.
X.
Sun
,
T. P.
Intrator
,
L.
Dorf
,
J.
Sears
,
I.
Furno
, and
G.
Lapenta
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
255001
(
2010
).
60.
W.
Gekelman
,
T.
DeHaas
,
C.
Prior
, and
A.
Yeates
,
SN Appl. Sci.
2
,
2187
(
2020
).
61.
W.
Gekelman
,
T.
De Haas
,
W.
Daughton
,
B.
Van Compernolle
,
T.
Intrator
, and
S.
Vincena
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
235101
(
2016
).
62.
P.
Shi
,
P.
Srivastav
,
C.
Beatty
,
R. S.
Nirwan
, and
E. E.
Scime
,
Rev. Sci. Instrum.
92
,
33102
(
2021
).
63.
W.
Gekelman
,
T.
DeHaas
,
P.
Pribyl
,
S.
Vincena
,
B. V.
Compernolle
,
R.
Sydora
, and
S. K. P.
Tripathi
,
Astrophys. J.
853
,
33
(
2018
).
64.
B.
Van Compernolle
and
W.
Gekelman
,
Phys. Plasmas
19
,
102102
(
2012
).
65.
H.
Karimabadi
,
J.
Dorelli
,
V.
Roytershteyn
,
W.
Daughton
, and
L.
Chacón
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
025002
(
2011
).
66.
I.
Furno
,
T. P.
Intrator
,
G.
Lapenta
,
L.
Dorf
,
S.
Abbate
, and
D. D.
Ryutov
,
Phys. Plasmas
14
,
022103
(
2007
).
67.
R.
Kulsrud
,
Plasma Physics for Astrophysics
(
Princeton University Press
,
2005
).
68.
J.
von der Linden
,
J.
Sears
,
T.
Intrator
, and
S.
You
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
35001
(
2018
).
69.
A.
Alt
,
C. E.
Myers
,
H.
Ji
,
J.
Jara-Almonte
,
J.
Yoo
,
S.
Bose
,
A.
Goodman
,
M.
Yamada
,
B.
Kliem
, and
A.
Savcheva
,
Astrophys. J.
908
,
41
(
2021
).
70.
R. G.
Kleva
,
J. F.
Drake
, and
F. L.
Waelbroeck
,
Phys. Plasmas
2
,
23
(
1995
).
71.
M. E.
Mandt
,
R. E.
Denton
, and
J. F.
Drake
,
Geophys. Res. Lett.
21
,
73
, (
1994
).
72.
M.
Hesse
,
K.
Schindler
,
J.
Birn
, and
M.
Kuznetsova
,
Phys. Plasmas
6
,
1781
(
1999
).
73.
P. L.
Pritchett
,
J. Geophys. Res.
106
,
3783
, (
2001
).
74.
S.-C.
Bai
,
Q.
Shi
,
Q.-G.
Zong
,
X.
Wang
,
A.
Tian
,
A. W.
Degeling
,
C.
Yue
,
I. J.
Rae
,
Z.-Y.
Pu
, and
S.
Fu
,
J. Geophys. Res.
124
,
7494
, (
2019
).
75.
R. L.
Stenzel
,
W.
Gekelman
, and
N.
Wild
,
J. Geophys. Res.
87
,
111
, (
1982
).
76.
A.
Zeiler
,
D.
Biskamp
,
J.
Drake
,
B.
Rogers
,
M.
Shay
, and
M.
Scholer
,
J. Geophys. Res.
107
,
SMP 6-1
SMP 6-9
, (
2002
).
77.
C. K.
Birdsall
and
A. B.
Langdon
,
Plasma Physics Via Computer Simulation
(
Taylor & Francis
,
2004
).
78.
P. N.
Guzdar
,
J. F.
Drake
,
D.
McCarthy
,
A. B.
Hassam
, and
C. S.
Liu
,
Phys. Fluids B
5
,
3712
(
1993
).
79.
U.
Trottenberg
,
C. W.
Oosterlee
, and
A.
Schuller
,
Multigrid
(
Academic Press
,
San Diego
,
2000
).
You do not currently have access to this content.