High Power Laser Science and Engineering, Volume. 9, Issue 1, 010000e2(2021)

Magnetic field annihilation and charged particle acceleration in ultra-relativistic laser plasmas Editors' Pick

Yan-Jun Gu1,2、* and Sergei V. Bulanov1,3
Author Affiliations
  • 1Institute of Physics of the ASCR, ELI-Beamlines, Na Slovance 2, 18221 Prague, Czech Republic
  • 2Institute of Laser Engineering, Osaka University, Osaka565-0871, Japan
  • 3Kansai Photon Research Institute, National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology, 8-1-7 Kizugawa-shi, Kyoto 619-0215, Japan
  • show less
    References(125)

    [1] D. Biskamp. Magnetic Reconnection in Plasmas(2000).

    [2] V. S. Berezinsky, S. V. Bulanov, V. A. Dogiel, V. L. Ginzburg, V. S. Ptuskin. Astrophysics of Cosmic Rays(1990).

    [3] E. Priest, T. Forbes. Magnetic Reconnection: MHD Theory and Applications(2000).

    [4] M. Yamada, R. Kulsrud, H. Ji. Rev. Mod. Phys., 82, 603(2010).

    [5] Q. Jiong, W. Haimin, Z. Cheng, E. G. Dale. Astrophys. J., 604, 900(2004).

    [6] R. L. Fermo, M. Opher, J. F. Drake. Phys. Rev. Lett., 113(2014).

    [7] E. N. Parker. J. Geophys. Res., 62, 509(1957).

    [8] R. P. Lin, S. Krucker, G. J. Hurford, D. M. Smith, H. S. Hudson, G. D. Holman, R. A. Schwartz, B. R. Dennis, G. H. Share, R. J. Murphy, A. G. Emslie, C. Johns-Krull, N. Vilmer. Astrophys. J. Lett., 595, L69(2003).

    [9] Y. Su, A. M. Veronig, G. D. Holman, B. R. Dennis, T. J. Wang, M. Temmer, W. Q. Gan. Nat. Phys., 9, 489(2013).

    [10] B. Coppi, G. Laval, R. Pellat. Phys. Rev. Lett., 16, 1207(1966).

    [11] P. Brady, T. Ditmire, W. Horton, M. L. Mays, Y. Zakharov. Phys. Plasmas, 16(2009).

    [12] M. Faganello, F. Califano, F. Pegoraro, T. Andreussi, S. Benkadda. Plasma Phys. Control. Fusion, 54(2012).

    [13] D. Giannios. Mon. Not. R. Astron. Soc. Lett., 408, L46(2010).

    [14] B. Zhang, H. Yan. Astrophys. J., 726, 90(2011).

    [15] J. C. McKinney, D. A. Uzdensky. Mon. Not. R. Astron. Soc., 419, 573(2012).

    [16] B. Cerutti, A. D. Uzdensky, C. M. Begelman. Astrophys. J., 746, 148(2012).

    [17] Y. Lyubarsky, J. G. Kirk. Astrophys. J., 547, 437(2001).

    [18] J. Kuijpers, H. U. Frey, L. Fletcher. Space Sci. Rev., 188, 3(2015).

    [19] B. Cerutti, A. A. Philippov. Astron. Astrophys., 607, A134(2017).

    [20] H. P. Furth, J. Killeen, M. N. Rosenbluth. Phys. Fluids, 6, 459(1963).

    [21] R. White. Theory of Tokamak Plasmas(1989).

    [22] M. Yamada, F. M. Levinton, N. Pomphrey, R. Budny, J. Manickam, Y. Nagayama. Phys. Plasmas, 1, 3269(1994).

    [23] R. J. Hastie. Astrophys. Space Sci., 256, 177(1997).

    [24] S. V. Bulanov, J. R. Sakai. Astrophys. J. Suppl. S., 117, 599(1998).

    [25] R. L. Stenzel, W. Gekelman. Phys. Rev. Lett., 42, 1055(1979).

    [26] M. Yamada, H. Ji, S. Hsu, T. Carter, R. Kulsrud, N. Bretz, F. Jobes, Y. Ono, F. Perkins. Phys. Plasmas, 4, 1936(1997).

    [27] M. Yamada, H. Ji, S. Hsu, T. Carter, R. Kulsrud, Y. Ono, F. Perkins. Phys. Rev. Lett., 78, 3117(1997).

    [28] J. Egedal, A. Fasoli, M. Porkolab, D. Tarkowski. Rev. Sci. Instrum., 71, 3351(2000).

    [29] M. Yamada, Y. Ren, H. Ji, J. Breslau, S. Gerhardt, R. Kulsrud, A. Kuritsyn. Phys. Plasmas., 13(2006).

    [30] J. Egedal, W. Fox, N. Katz, M. Porkolab, K. Reim, E. Zhang. Phys. Rev. Lett., 98(2007).

    [31] L. M. Zeleny, A. L. Taktakishvili. Astrophys. Space Sci., 134, 185(1987).

    [32] R. Horiuchi, T. Sato. Phys. Plasmas, 1, 3587(1994).

    [33] R. Horiuchi, T. Sato. Phys. Plasmas, 4, 277(1997).

    [34] R. Horiuchi, T. Sato. Phys. Plasmas, 6, 4565(1999).

    [35] R. Giovannelli. Mon. Not. R. Astron. Soc., 108, 163(1948).

    [36] J. W. Dungey. Phil. Mag., 44, 725(1953).

    [37] S. V. Bulanov. Plasmas Phys. Control. Fusion, 59(2017).

    [38] M. Lyutikov, L. Sironi, S. Komissarov, O. Porth. J. Plasmas Phys., 83(2017).

    [39] M. Lyutikov, S. Komissarov, L. Sironi, O. Porth. J. Plasmas Phys., 84(2018).

    [40] A. A. Abdo, M. Ackermann, M. Ajello et al. Science, 331, 739(2011).

    [41] M. Tavani, A. Bulgarelli, V. Vittorini et al. Science, 331, 736(2011).

    [42] M. Melzani, R. Walder, D. Folini, C. Winisdoerffer, J. M. Favre. Astron. Astrophys., 570, A111(2014).

    [43] B. Cerutti, G. R. Werner, D. A. Uzdensky, M. C. Begelman. Phys. Plasmas, 21(2014).

    [44] R. Buehler, J. D. Scargle, R. D. Blandford, L. Baldini, M. G. Baring, A. Belfiore, E. Charles, J. Chiang, F. D’Ammando, C. D. Dermer, S. Funk, J. E. Grove, A. K. Harding, E. Hays, M. Kerr, F. Massaro, M. N. Mazziotta, R. W. Romani, P. M. Saz Parkinson, A. F. Tennant, M. C. Weisskopf. Astrophys. J., 749, 26(2012).

    [45] A. Schukla, K. Mannheim. Nat. Commun., 11, 4176(2020).

    [46] D. Strickland, G. Mourou. Opt. Commun., 56, 219(1985).

    [47] V. Yanovsky, V. Chvykov, G. Kalinchenko, P. Rousseau, T. Planchon, T. Matsuoka, A. Maksimchuk, J. Nees, G. Cheriaux, G. Mourou, K. Krushelnick. Opt. Express, 16, 2109(2008).

    [48] A. S. Pirozhkov, Y. Fukuda, M. Nishiuchi, H. Kiriyama, A. Sagisaka, K. Ogura, M. Mori, M. Kishimoto, H. Sakaki, N. P. Dover, K. Kondo, N. Nakanii, K. Huang, M. Kanasaki, K. Kondo, M. Kando. Opt. Express, 25(2017).

    [49] G. Mourou, G. Korn, W. Sander, J. Collier. ELI Extreme Light Infrastructure (Whitebook)(2011).

    [50] P. M. Nilson, L. Willingale, M. C. Kaluza, C. Kamperidis, S. Minardi, M. S. Wei, P. Fernandes, M. Notley, S. Bandyopadhyay, M. Sherlock, R. J. Kingham, M. Tatarakis, Z. Najmudin, W. Rozmus, R. G. Evans, M. G. Haines, A. E. Dangor, K. Krushelnick. Phys. Rev. Lett., 97(2006).

    [51] L. Biermann. Z. Naturforsch, 5A, 65(1950).

    [52] C. K. Li, F. H. Seguin, J. A. Frenje, J. R. Rygg, R. D. Petrasso, R. P. J. Town, O. L. Landen, J. P. Knauer, V. A. Smalyuk. Phys. Rev. Lett., 99(2007).

    [53] J. Zhong, Y. Li, X. Wang, J. Wang, Q. Dong, C. Xiao, S. Wang, X. Liu, L. Zhang, L. An, F. Wang, J. Zhu, Y. Gu, X. He, G. Zhao, J. Zhang. Nat. Phys., 6, 984(2010).

    [54] 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, L. N. Su, F. Li, B. Han, G. Q. Liao, C. L. Yin, Y. Fang, X. Yuan, C. Wang, J. R. Sun, G. Y. Liang, F. L. Wang, Y. K. Ding, X. T. He, J. Q. Zhu, Z. M. Sheng, G. Li, G. Zhao, J. Zhang. Astrophys. J. Suppl., 225, 30(2016).

    [55] S. V. Bulanov. Sov. Astron. J. Lett., 6, 206(1980).

    [56] P. K. Browning, G. E. Vekstein. J. Geophys. Res., 106(2001).

    [57] Q.-L. Dong, S.-J. Wang, Q.-M. Lu, C. Huang, D.-W. Yuan, X. Liu, X.-X. Lin, Y.-T. Li, H.-G. Wei, J.-Y. Zhong, J. R. Shi, S. E. Jiang, Y. K. Ding, B. B. Jiang, K. Du, X. T. He, M. Y. Yu, C. S. Liu, S. Wang, Y. J. Tang, J. Q. Zhu, G. Zhao, Z. M. Sheng, J. Zhang. Phys. Rev. Lett., 108(2012).

    [58] Y. Kuramitsu, T. Moritaka, Y. Sakawa, T. Morita, T. Sano, M. Koenig, C. D. Gregory, N. Woolsey, K. Tomita, H. Takabe, Y. L. Liu, S. H. Chen, S. Matsukiyo, M. Hoshino. Nat. Commun., 9, 5109(2018).

    [59] K. V. Lezhnin, W. Fox, J. Matteucci, D. B. Schaeffer, A. Bhattacharjee, M. J. Rosenberg, K. Germaschewski. Phys. Plasmas, 25(2018).

    [60] S. Lu, Q. M. Lu, C. Huang, Q. L. Dong, J. Q. Zhu, Z. M. Sheng, S. Wang, J. Zhang. New J. Phys., 16(2014).

    [61] S. Lu, Q. M. Lu, F. Guo, Z. M. Sheng, H. Wang, S. Wang. New J. Phys., 18(2016).

    [62] G. Mourou, T. Tajima, S. V. Bulanov. Rev. Mod. Phys., 78, 309(2006).

    [63] S. V. Bulanov, T. Zh. Esirkepov, D. Habs, F. Pegoraro, T. Tajima. Eur. Phys. J. D, 55, 483(2009).

    [64] S. V. Bulanov, T. Zh. Esirkepov, M. Kando, J. Koga, K. Kondo, G. Korn. Plasma Phys. Rep., 41, 1(2015).

    [65] F. Pegoraro, P. Veltri. La Rivista del Nuovo Cimento, 43, 229(2020).

    [66] G. A. Askaryan, S. V. Bulanov, F. Pegoraro, A. M. Pukhov. Comments Plasma Phys. Controlled Fusion, 17, 35(1995).

    [67] Y. L. Ping, J. Y. Zhong, Z. M. Sheng, X. G. Wang, B. Liu, Y. T. Li, X. Q. Yan, X. T. He, J. Zhang, G. Zhao. Phys. Rev. E, 89(2014).

    [68] S. Zenitani, M. Hoshino. Astrophys. J. Lett., 562, L63(2001).

    [69] S. R. Totorica, T. Abel, F. Fiuza. Phys. Rev. Lett., 116(2016).

    [70] L. Yi, B. F. Shen, A. Pukhov, T. Fulop. Nat. Commun., 9, 1601(2018).

    [71] A. E. Raymond, C. F. Dong, A. McKelvey, C. Zulick, N. Alexander, A. Bhattacharjee, P. T. Campbell, H. Chen, V. Chvykov, E. Del Rio, P. Fitzsimmons, W. Fox, B. Hou, A. Maksimchuk, C. Mileham, J. Nees, P. M. Nilson, C. Stoeckl, A. G. R. Thomas, M. S. Wei, V. Yanovsky, K. Krushelnick, L. Willingale. Phys. Rev. E, 98(2018).

    [72] C. N. Danson, C. Haefner, J. Bromage, T. Butcher, J.-C. F. Chanteloup, E. A. Chowdhury, A. Galvanauskas, L. A. Gizzi, J. Hein, D. I. Hillier, N. W. Hopps, Y. Kato, E. A. Khazanov, R. Kodama, G. Korn, R. Li, Y. Li, J. Limpert, J. Ma, C. H. Nam, D. Neely, D. Papadopoulos, R. R. Penman, L. Qian, J. J. Rocca, A. A. Shaykin, C. W. Siders, C. Spindloe, R. M. G. M. Trines, J. Zhu, P. Zhu, J. D. Zuegel. High Power Laser Sci. Eng., 7(2019).

    [73] F. Pegoraro. Euro Phys. Lett., 99(2012).

    [74] F. Pegoraro. Phys. Plasmas, 22(2015).

    [75] S. I. Syrovatskii. Sov. Astron., 10, 270(1966).

    [76] Y. J. Gu, O. Klimo, D. Kumar, S. V. Bulanov, T. Zh. Esirkepov, S. Weber, G. Korn. Phys. Plasmas, 22(2015).

    [77] Y. J. Gu, O. Klimo, D. Kumar, Y. Liu, S. K. Singh, T. Zh. Esirkepov, S. V. Bulanov, S. Weber, G. Korn. Phys. Rev. E, 93(2016).

    [78] Y. J. Gu, F. Pegoraro, P. V. Sasorov, D. Golovin, A. Yogo, G. Korn, S. V. Bulanov. Sci. Rep., 9(2019).

    [79] J. B. Taylor. Rev. Mod. Phys., 58, 741(1986).

    [80] S. V. Bulanov, G. I. Dudnikova, T. Esirkepov, V. P. Zhukov, I. N. Inovenkov, F. F. Kamenets, T. V. Lisejkina, N. Naumova, L. Nocera, F. Pegoraro, V. V. Pichushkin, R. Pozzoli, D. Farina. Plasma Phys. Rep., 2, 783(1995).

    [81] M. R. Brown. Phys. Plasmas, 6, 1717(1999).

    [82] J. Birn, E. R. Priest. Reconnection of Magnetic Fields: Magnetohydrodynamics and Collisionless Theory and Observations(2007).

    [83] M. Hoshino, Y. Lyubarsky. Space Sci. Rev., 173, 521(2012).

    [84] M. Yamada, J. Yoo, C. E. Myers. Phys. Plasmas, 23(2016).

    [85] J. Zhong, X. Yuan, B. Han, W. Sun, Y. Ping. High Power Laser Sci. Eng., 6(2018).

    [86] W. Gonzalez, E. Parker. Magnetic Reconnection: Concepts and Applications(2016).

    [87] C. Ridgers, J. Kirk, R. Duclous, T. Blackburn, C. Brady, K. Bennett, T. Arber, A. Bell. J. Comput. Phys., 260, 273(2014).

    [88] T. Arber, K. Bennett, C. Brady, A. Lawrence-Douglas, M. Ramsay, N. Sircombe, P. Gillies, R. Evans, H. Schmitz, A. Bell, C. P. Ridgers. Plasma Phys. Controlled Fusion, 57(2015).

    [89] S. V. Bulanov, S. I. Syrovatskii. Kinetics of a Neutral Current Sheet(1976).

    [90] F. W. J. Olver, D. W. Lozier, R. F. Boisvert, C. W. Clark. NIST Handbook of Mathematical Functions(2010).

    [91] A. V. Vshivkov, N. M. Naumova, F. Pegoraro, S. V. Bulanov. Phys. Plasmas, 5, 2727(1998).

    [92] V. V. Kulagin, V. A. Cherepenin, M. S. Hur, H. Suk. Phys. Plasmas, 14(2007).

    [93] S. V. Bulanov, T. Z. Esirkepov, M. Kando, S. S. Bulanov, S. G. Rykovanov. Phys. Plasmas, 20(2013).

    [94] V. I. Bratman, S. V. Samsonov. Phys. Lett. A, 206, 377(1995).

    [95] V. K. Neil. Phys. Fluids, 5, 14(1962).

    [96] J. I. Sakai, S. Saito, H. Mae, D. Farina, M. Lontano, F. Califano, F. Pegoraro, S. V. Bulanov. Phys. Plasmas, 9, 2959(2002).

    [97] S. V. Bulanov, P. V. Sasorov. Sov. J. Plasma Phys., 4, 418(1978).

    [98] S. Naoz, R. Narayan. Phys. Rev. Lett., 111(2013).

    [99] S. Wilks, W. Kruer, M. Tabak, A. B. Langdon. Phys. Rev. Lett., 69, 1383(1992).

    [100] R. Sudan. Phys. Rev. Lett., 70, 3075(1993).

    [101] V. Tripathi, C. S. Liu. Phys. Plasmas, 1, 990(1994).

    [102] R. Mason, M. Tabak. Phys. Rev. Lett., 80, 3075(1998).

    [103] A. Das, A. Kumar, C. Shukla, R. Bera, D. Verma, D. Mandal, A. Vashishta, B. Patel, Y. Hayashi, K. A. Tanaka, G. Chatterjee, A. Lad, G. Kumar, P. Kaw. Phys. Rev. Res., 2(2020).

    [104] T. Nakamura, K. Mima. Phys. Rev. Lett., 100(2008).

    [105] Y. J. Gu, Q. Kong, S. Kawata, T. Izumiyama, X. F. Li, Q. Yu, P. X. Wang, Y. Y. Ma. Phys. Plasmas, 20(2013).

    [106] M. Murakami, J. Honrubia, K. Weichman, A. Arefiev, S. V. Bulanov. Sci. Rep., 10(2020).

    [107] Q. Jia, k. Mima, H. Cai, T. Taguchi, H. Nagatomo, X. T. He. Phys. Rev. E, 91(2015).

    [108] N. Naseri, S. Bochkarev, P. Ruan, Yu. Bychenkov, V. Khudik, G. Shvets. Phys. Plasmas, 25(2018).

    [109] G.-Z. Sun, E. Ott, Y. C. Lee, P. Guzdar. Phys. Fluids, 30, 526(1987).

    [110] S. S. Bulanov, E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans, S. V. Bulanov, D. Margarone, G. Korn, T. Haberer. Phys. Rev. ST Accel. Beams, 18(2015).

    [111] T. Tajima, J. Dawson. Phys. Rev. Lett., 43, 267(1979).

    [112] P. Sprangle, E. Esarey, A. Ting, G. Joyce. Appl. Phys. Lett., 53, 2146(1988).

    [113] S. V. Bulanov, T. Zh. Esirkepov, Y. Hayashi, H. Kiriyama, J. K. Koga, H. Kotaki, M. Mori, M. Kando. J. Plasmas Phys., 82(2016).

    [114] V. E. Zakharov, E. A. Kuznetsov. Phys. Usp., 40, 1087(1997).

    [115] S. I. Syrovatskii. Ann. Rev. Astron. Astrophys., 19, 163(1981).

    [116] S. V. Bulanov, P. V. Sasorov, S. I. Syrovatskii. Sov. Phys., 26, 729(1977).

    [117] S. V. Bulanov, P. V. Sasorov. Sov. Astron., 19, 464(1975).

    [118] Y. J. Gu, S. S. Bulanov, G. Korn, S. V. Bulanov. Plasma Phys. Controlled Fusion, 60(2018).

    [119] Y. J. Gu, Q. Yu, O. Klimo, T. Zh. Esirkepov, S. V. Bulanov, S. Weber, G. Korn. High Power Laser Sci. Eng., 4(2016).

    [120] G. A. Askar’yan, S. V. Bulanov, F. Pegoraro, A. M. Pukhov. JETP Lett., 60, 251(1994).

    [121] G. A. Askar’yan, S. V. Bulanov, F. Pegoraro, A. M. Pukhov. Plasma Phys. Rep., 21, 835(1995).

    [122] S. V. Bulanov, M. Lontano, T. Zh. Esirkepov, F. Pegoraro, A. M. Pukhov. Phys. Rev. Lett., 76, 3562(1996).

    [123] K. V. Lezhnin, F. F. Kamenets, T. Zh. Esirkepov, S. V. Bulanov. J. Plasmas Phys., 84(2018).

    [124] S. V. Bulanov, T. Zh. Esirkepov. Phys. Rev. Lett., 98(2007).

    [125] Y. Fukuda, A. Ya. Faenov, M. Tampo, T. A. Pikuz, T. Nakamura, M. Kando, Y. Hayashi, A. Yogo, H. Sakaki, T. Kameshima, A. S. Pirozhkov, K. Ogura, M. Mori, T. Zh. Esirkepov, J. Koga, A. S. Boldarev, V. A. Gasilov, A. I. Magunov, T. Yamauchi, R. Kodama, P. R. Bolton, Y. Kato, T. Tajima, H. Daido, S. V. Bulanov. Phys. Rev. Lett., 103(2009).

    Tools

    Get Citation

    Copy Citation Text

    Yan-Jun Gu, Sergei V. Bulanov. Magnetic field annihilation and charged particle acceleration in ultra-relativistic laser plasmas[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2021, 9(1): 010000e2

    Download Citation

    EndNote(RIS)BibTexPlain Text
    Save article for my favorites
    Paper Information

    Category: Research Articles

    Received: Sep. 16, 2020

    Accepted: Nov. 5, 2020

    Published Online: Jan. 12, 2021

    The Author Email: Yan-Jun Gu (yanjun.gu@eli-beams.eu)

    DOI:10.1017/hpl.2020.45

    Topics