German Title: Experimentelle Studien zu Ionen-Neutral-Reaktionen unter astrophysikalischen Bedingungen

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Abstract

Ion-neutral collisions are pivotal for the gas-phase synthesis of complex molecules in the interstellar medium. Accurate modeling of the astrochemical network relies on precise laboratory data of reaction rate coefficients and their branching ratios. For the majority of ion-neutral reactions, rate coefficients at astrophysical conditions are completely unknown. To gain an experimental insight of ion-neutral, gas-phase chemistry under interstellar conditions, two different experimental approaches are presented. One of the most fundamental ions for interstellar chemistry is H3+. This ion is assumed to be thermalized in collisions with H2. However, recent astronomical observations of H2 and H3+ in diffuse interstellar clouds revealed a significant difference in their excitation temperatures. In this work, 22 pole trap measurements, performed at the Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) in Heidelberg, of the H3+ + H2 reaction at thermal equilibrium are presented and discussed. For future experiments on ion-atom reactions, an injection beamline for the Cyrogenic Storage Ring (CSR) was developed to perform merged-beams experiments on neutral ground-state atoms superimposed with the cooled, stored ions in the CSR.

Translation of abstract (German)

Kollisionen zwischen Ionen und Neutralteilchen sind ausschlaggebend für die Gasphasensynthese von komplexen Molekülen im interstellaren Medium. Eine genaue Modellierung des astrochemischen Netzwerks ist abhängig von möglichst präzisen experimentellen Daten dieser Reaktionsraten und deren Verzweigungsverhältnissen. Für die meisten Ionen-Neutral-Reaktionen sind diese Ratenkoeffizienten unter astrophysikalischen Bedingungen völlig unbekannt. Um diese wichtige Gruppe von Reaktionen zu erforschen, werden im Rahmen dieser Arbeit zwei unterschiedliche experimentelle Ansätze vorgestellt. Eines der grundlegendsten und zugleich bedeutsamsten Ionen in der interstellaren Chemie ist H3+ . Es ist davon auszugehen, dass die H3+ -Ionen in interstellaren Wolken durch Kollisionen mit H2 thermalisiert werden. Jedoch zeigten kürzlich astronomische Beobachtungen eine signifikante Abweichung ihrer Anregungstemperaturen. Um diesen Thermalisierungsprozess experimentell zu untersuchen, wurden H3+ + H2 Reaktionsmessungen im thermischen Gleichgewicht unter Verwendung einer 22pol Falle am Max-Planck-Institut für Kernphysik durchgeführt. Für zukünftige Experimente zur Untersuchung von Reaktionen zwischen Atomen und Ionen am kryogenen Speicherring CSR wurde ein Strahlführungssystem entwickelt, das die Überlagerung von neutralen Atomen im Grundzustand mit dem im Ring gespeicherten, gekühlten Ionenstrahl ermöglicht.