实验室等离子体中磁驱动重联对非热电子加速的直接测量

磁重联是一种普遍存在的天体物理过程，可快速将磁能转化为等离子体流动能、热能和非热高能粒子（包括高能电子）的某种组合。针对不同低 $\beta$（等离子体压强与磁压之比）和无碰撞环境，理论上已提出并数值研究了多种重联加速机制，包括一阶和二阶费米加速、 betatron 加速、沿磁场的平行电场加速，以及重联电场的直接加速。然而，由于原位测量德拜长度短、非原位测量平均自由程短，实验室实验中非热粒子加速的直接观测一直困难，上述机制此前均未获实验证实。本文报道了在激光驱动电容线圈平台上，对低 $\beta$ 磁驱动重联中产生加速非热电子的直接测量。我们利用千焦耳激光器驱动平行电流，在准轴对称几何中重联兆高斯级磁场。测得的电子能谱角分布及所得加速能量，在粒子模拟（particle-in-cell）支持下，表明由面外重联电场直接电场加速的机制在起作用。基于该机制的比拟能量显示与天体物理观测直接相关。因此，我们的结果验证了重联提出的加速机制之一，并建立了在相关 regime 下用实验室实验研究重联粒子加速的新途径。