Abstract The resonant interaction between a runaway electron (RE) beam and a background reactor-grade background plasma is investigated through two-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations, employing a simplified model of the system. The temporal evolutions of the electron momentum distribution function for two separate initial beam energies (1 and 10 MeV) are tracked, revealing the occurrence of plasma wave growth concomitant with pitch angle scattering or momentum distribution diffusion within the RE beam. Notably, we 
identify and confirm the dependence of the dominant resonance condition on the initial kinetic energy of the RE beam. Furthermore, we quantify the effect of particle-wave interactions on the RE momentum distribution diffusion by assessing the average kinetic energy flux from the runaway electron distribution function.

Magnetic flux ropes are pivotal structures and building blocks in astrophysical and laboratory plasmas, and various equilibrium models have thus been studied in the past. However, flux ropes in general form at non-equilibrium, and their pathway from formation to relaxation is a crucial process that determines their eventual properties. Here we show that any localized current parallel to a background magnetic field will evolve into a flux rope via non-equilibrium processes. The detailed kinetic dynamics are exhaustively explained through single-particle and Vlasov analyses and verified through particle-in-cell simulations. This process is consistent with many proposed mechanisms of flux rope generation such as magnetic reconnection. A spacecraft observation of an example flux rope is also presented; by invoking the non-equilibrium process, its structure and properties can be explicated down to all six components of the temperature tensor. Flux ropes are fundamental structures that govern much of the dynamics in astrophysical and space plasmas. The authors show how out-of-equilibrium processes can form small-scale flux ropes and compare them to simulations and spacecraft observations.

Abstract How magnetic reconnection is triggered or suppressed is an important outstanding problem. By considering pinching of a current sheet that has formed at non‐equilibrium, we show that the background plasma beta is a major controlling factor in the onset and nature of magnetic reconnection. A high plasma beta inhibits a current sheet from pinching down to kinetic scales required for collisionless reconnection, while a low beta facilitates it. A simple adiabatic model provides a good prediction for the reconnection‐enabled regions in thickness versus peak plasma beta space, which are confirmed by a series of particle‐in‐cell simulations with varying initial parameters. A strong dependency of the peak reconnection rate on the plasma beta is clearly predicted with reconnection being favored in low beta conditions. A finite guide field is an additional source of reconnection suppression, consistent with previous observations that reconnection requires a large enough magnetic shear angle for high‐beta situations.