Magnetospheric Multiscale (MMS), a NASA four-spacecraft constellation mission launched on March 12, 2015, will investigate magnetic reconnection in the boundary regions of the Earth’s magnetosphere, particularly along its dayside boundary with the solar wind and the neutral sheet in the magnetic tail. The most important goal of MMS is to conduct a definitive experiment to determine what causes magnetic field lines to reconnect in a collisionless plasma. The significance of the MMS results will extend far beyond the Earth’s magnetosphere because reconnection is known to occur in interplanetary space and in the solar corona where it is responsible for solar flares and the disconnection events known as coronal mass ejections. Active research is also being conducted on reconnection in the laboratory and specifically in magnetic-confinement fusion devices in which it is a limiting factor in achieving and maintaining electron temperatures high enough to initiate fusion. Finally, reconnection is proposed as the cause of numerous phenomena throughout the universe such as comet-tail disconnection events, magnetar flares, supernova ejections, and dynamics of neutron-star accretion disks. The MMS mission design is focused on answering specific questions about reconnection at the Earth’s magnetosphere. The prime focus of the mission is on determining the kinetic processes occurring in the electron diffusion region that are responsible for reconnection and that determine how it is initiated; but the mission will also place that physics into the context of the broad spectrum of physical processes associated with reconnection. Connections to other disciplines such as solar physics, astrophysics, and laboratory plasma physics are expected to be made through theory and modeling as informed by the MMS results.

The Fast Plasma Investigation (FPI) was developed for flight on the Magnetospheric Multiscale (MMS) mission to measure the differential directional flux of magnetospheric electrons and ions with unprecedented time resolution to resolve kinetic-scale plasma dynamics. This increased resolution has been accomplished by placing four dual 180-degree top hat spectrometers for electrons and four dual 180-degree top hat spectrometers for ions around the periphery of each of four MMS spacecraft. Using electrostatic field-of-view deflection, the eight spectrometers for each species together provide 4pi-sr field-of-view with, at worst, 11.25-degree sample spacing. Energy/charge sampling is provided by swept electrostatic energy/charge selection over the range from 10 eV/q to 30000 eV/q. The eight dual spectrometers on each spacecraft are controlled and interrogated by a single block redundant Instrument Data Processing Unit, which in turn interfaces to the observatory’s Instrument Suite Central Instrument Data Processor. This paper describes the design of FPI, its ground and in-flight calibration, its operational concept, and its data products.

Magnetic reconnection is a fundamental physical process in plasmas whereby stored magnetic energy is converted into heat and kinetic energy of charged particles. Reconnection occurs in many astrophysical plasma environments and in laboratory plasmas. Using measurements with very high time resolution, NASA's Magnetospheric Multiscale (MMS) mission has found direct evidence for electron demagnetization and acceleration at sites along the sunward boundary of Earth's magnetosphere where the interplanetary magnetic field reconnects with the terrestrial magnetic field. We have (i) observed the conversion of magnetic energy to particle energy; (ii) measured the electric field and current, which together cause the dissipation of magnetic energy; and (iii) identified the electron population that carries the current as a result of demagnetization and acceleration within the reconnection diffusion/dissipation region.

This paper extends to all interplanetary magnetic field (IMF) orientations the qualitative convection pattern presented by Burch et al. (this issue), containing viscous, merging, and lobe cells driven, respectively, by diffusion or other quasi‐viscous processes, merging of interplanetary fields with closed dayside field lines, and merging of interplanetary fields with open tail lobe field lines. The model is based on the antiparallel merging hypothesis of Crooker (1979a) with the addition of small but finite cells driven by quasi‐viscous processes on the dawn and dusk edges of the polar cap. The data and model presented by Burch et al. pertained to southward IMF conditions. This paper generalizes that model and proposes a qualitative dependence of the three types of convection cells on the x, y, and z components of the IMF. For example, the lobe cell should be enhanced in the northern hemisphere if B x < 0 and in the southern for B x > 0, and, for a given B x and B z , should be larger as |B y | increases. For northward IMF, the merging cell disappears, leaving only the lobe cell in a smaller polar cap. If the y component of the IMF (B y ) is small, we infer the four‐cell pattern of Burke et al. (1979), with two counter‐rotating lobe cells having sunward flow in the central polar cap and tailward flow on the flanks. If B y is large, the antiparallel merging model predicts a single lobe cell filling the polar cap, whose direction of rotation depends on the sign of B y and is opposite in opposite hemispheres. We argue that this vortex is unstable to reconnection in the magnetotail, leading to two (or more) vortices in each polar cap, each with the same sense of rotation, but again differing between the hemispheres. Each vortex has a region of closed field lines in the sunward‐flowing section and open field lines in the antisunward‐flowing section. This model encompasses several features of the theta arc phenomenon, and makes several predictions with respect to symmetries and antisymmetries between the two polar caps.

Two mechanisms have been proposed for solar wind particle injection at the dayside magnetospheric cusps: magnetic merging and cross-field diffusion. These two mechanisms are experimentally distinguishable in that they produce different latitudinal distributions of particles penetrating to the low-altitude cusp. An examination of proton and electron measurements obtained by the AE-C satellite in the low-altitude dayside cusp reveals evidence of both types of injection processes. A majority of the injection events, especially the more intense fluxes, are best explained by a merging injection model in which cusp particles are confined to the poleward side of the last closed field line and have a characteristic energy that decreases with increasing latitudinal distance from the last closed field line. Less frequent and less intense injection events are better explained in terms of a diffusive injection of cusp particles onto closed dayside field lines with a characteristic energy that increases with increasing latitudinal distance from the last closed field line. Although diffusion appears to be quantitatively less important than merging in terms of the instantaneous particle injection rate, cross-field diffusion nevertheless appears to proceed at an unexpectedly fast rate, possibly exceeding the Bohm diffusion limit.

Magnetic reconnection in current sheets is a magnetic-to-particle energy conversion process that is fundamental to many space and laboratory plasma systems. In the standard model of reconnection, this process occurs in a minuscule electron-scale diffusion region1,2. On larger scales, ions couple to the newly reconnected magnetic-field lines and are ejected away from the diffusion region in the form of bi-directional ion jets at the ion Alfvén speed3-5. Much of the energy conversion occurs in spatially extended ion exhausts downstream of the diffusion region 6 . In turbulent plasmas, which contain a large number of small-scale current sheets, reconnection has long been suggested to have a major role in the dissipation of turbulent energy at kinetic scales7-11. However, evidence for reconnection plasma jetting in small-scale turbulent plasmas has so far been lacking. Here we report observations made in Earth's turbulent magnetosheath region (downstream of the bow shock) of an electron-scale current sheet in which diverging bi-directional super-ion-Alfvénic electron jets, parallel electric fields and enhanced magnetic-to-particle energy conversion were detected. Contrary to the standard model of reconnection, the thin reconnecting current sheet was not embedded in a wider ion-scale current layer and no ion jets were detected. Observations of this and other similar, but unidirectional, electron jet events without signatures of ion reconnection reveal a form of reconnection that can drive turbulent energy transfer and dissipation in electron-scale current sheets without ion coupling.

Abstract We report a rare regime of Earth's magnetosphere interaction with sub‐Alfvénic solar wind in which the windsock‐like magnetosphere transforms into one with Alfvén wings. In the magnetic cloud of a Coronal Mass Ejection (CME) on 24 April 2023, NASA's Magnetospheric Multiscale mission distinguishes the following features: (a) unshocked and accelerated low‐beta CME plasma coming directly against Earth's dayside magnetosphere; (b) dynamical wing filaments representing new channels of magnetic connection between the magnetosphere and foot points of the Sun's erupted flux rope; (c) cold CME ions observed with energized counter‐streaming electrons, evidence of CME plasma captured due to by reconnection between magnetic‐cloud and Alfvén‐wing field lines. The reported measurements advance our knowledge of CME interaction with planetary magnetospheres, and open new opportunities to understand how sub‐Alfvénic plasma flows impact astrophysical bodies such as Mercury, moons of Jupiter, and exoplanets close to their host stars.

Abstract Understanding electron kinetic processes is crucial for elucidating the energy conversion mechanisms in magnetic reconnection. Non‐Maxwellian electron distributions are strong indicators of kinetic‐scale processes near the electron diffusion region, yet they remain incompletely understood. Using in‐situ spacecraft data from 29 magnetopause reconnection events, we unambiguously identify a non‐Maxwellian capsule electron distribution near the electron diffusion region. This distribution comprises an elongated component parallel with the magnetic field at lower energies and a butterfly component (with peaks at pitch angles near and ) at higher energies. We provide evidence that these distributions are partly linked to electron trapping and preferential heating along the direction of magnetic fields. The parallel electric potentials needed for the parallel heating may be linked to kinetic Alfvén waves. These capsule‐like electron distributions are also found to generate whistler emissions. Our results suggest that these kinetic processes are prevalent in magnetic reconnection.

Abstract The MMS satellites traversed a ∼6 d i ‐wide and ∼500 km/s southward reconnection exhaust at the dayside magnetopause on 6 December 2015 and ∼29 d i from the associated X‐line region. A narrow ∼0.26–0.34 d i layer of enhanced ±3.5 nW/m 3 oscillating energy conversion perpendicular to the magnetic field resides in this exhaust. It contained two regions of diverging in‐plane electric fields in general agreement with two clockwise electron flow vortices and a proposed increase of the electron vorticity ∇ × V e . The layer developed sunward of a unipolar Hall magnetic field for a duskward B M /B L ∼ 0.9 guide field. Each electron flow vortex supported a local ∆B M ∼ 10 nT strengthening of this Hall field. The presence of this electron‐scale layer in a southward exhaust for a duskward guide field is consistent with a two‐dimensional simulation of a similar structure that evolved from an X‐line into a northward exhaust for a similar strength dawnward guide field.