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.

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 Fundamental processes in plasmas act to convert energies into different forms, for example, electromagnetic, kinetic and thermal. Direct derivation from the Vlasov‐Maxwell equation yields sets of equations that describe the temporal evolution of magnetic, kinetic and internal energies in either the monofluid or multifluid frameworks. In this work, we focus on the main terms affecting the changes in kinetic energy. These are pressure‐gradient‐related terms and electromagnetic terms. The former account for plasma acceleration/deceleration from a pressure gradient, while the latter from an electric field. Although limited spatial and temporal deviations are expected, a statistical balance between these terms is fundamental to ensure the overall conservation of energy and momentum. We use in‐situ observations from the Magnetospheric MultiScale (MMS) mission to study the relationship between these terms. We perform a statistical analysis of those parameters in the context of magnetic reconnection by focusing on small‐scale Electron Diffusion Regions and large‐scale Flux Transfer Events. The analysis reveals a correlation between the two terms in the monofluid force balance, and in the ion force and energy balance. However, the expected relationship cannot be verified from electron measurements. Generally, the pressure‐gradient‐related terms are smaller than their electromagnetic counterparts. We perform an error analysis to quantify the expected underestimation of gradient values as a function of the spacecraft separation compared to the gradient scale. Our findings highlight that MMS is capable of capturing energy and force balance for the ion fluid, but that care should be taken for energy conversion terms based on electron pressure gradients.

Abstract The structure of the magnetic reconnection boundary, particularly the presence of slow-mode shocks in the near-Earth magnetotail was studied by using magnetospheric multiscale (MMS) observations and 2.5D hybrid simulations. A total of 51 crossings of MMS from 2017 to 2021 were analyzed. We found that the detection percentage of slow-mode shocks in the near-Earth magnetotail is 41%–55%. Previous studies have only reported one slow-mode shock event in the near-Earth magnetotail and a slow-mode shock detection percentage of 10% or lower in the mid-to-distant magnetotail. It was observed that if the high-energy beam region data is removed from the slow-mode shock downstream observations then the detection of slow-mode shocks reduces, implying that the kinetic effects play an important role in the detection of slow-mode shocks. For the crossings where the interface was not identified as a slow-mode shock, it was found that the turbulence in those crossings can change the mass flux values and disrupt the detection of slow-mode shock. However, the macroscopic slow-mode shock-like structure stably exists around the magnetic reconnection interface, as most of the conditions for slow-mode shocks were satisfied. This result suggests that slow-mode shocks are a general feature of magnetic reconnection geometry. We find that the lack of detection of slow-mode shocks in previous observations and simulations can be explained by taking into account the kinetic structure of slow-mode shocks and the presence of turbulence.