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591. WE-Heraeus-Seminar on Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants (ACFC 2015)

Physikzentrum Bad Honnef, 27 - 30 May 2015

Scope

The fundamental constants play a central role in our understanding of nature and the universe. They appear in the laws and equations of quantum mechanics, relativity, atomic, nuclear, and particle physics, but for all that we know little about them. It is not clear whether they are really constant neither if they are really fundamental or whether some of them could be derived from a deeper theory that is yet to be found. A main topic of this seminar is the question of the constancy of the constants and the search for conceivable variations in time and space, as they are predicted by certain theories and models of cosmological evolution.

From the cosmological and astrophysics side the new PLANCK satelite data give unprecedented information of the fluctuation in the early universe leading to variations in the fundamental constants. The unambiguous discovery of the Higgs particle and determination of its parameters has been one of the most awaited events and the description of the Higgs mechanism was recently awarded with a Nobel prize. A publication on the discovery of B-modes, a kind of fossil gravitational waves, has appeared and cosmologically important observations of distant supernovae were awarded by a Nobel prize. Precision tests of general relativity have demonstrated such accuracy that they are sensitive now to a variation of the solar mass. It plays a crucial role because it is a unit to measure in particular the masses of neutron stars.

Quantum optics and atomic clocks demonstrated a tremendous progress in recent years which was awarded by a Nobel prize. There has been a notable progress as well in atomic-interferometer measurements of various properties, such as gravity. Trapping particles and ions allows improving accuracy of determination of their parameters.

The metrological community is discussing the adoption of a new version of the International system of units, where all units should be based on fundamental constants. The activities in determination of the Planck, Avogadro and Boltzmann constants have produced a number of important results. There has been also an important progress in spectroscopy of exotic atoms. In particular, we expect soon new results on laser spectroscopy of muonic and antiprotonic atoms.

The seminar aims at an interdisciplinary exchange between scientists working with astrophysical observations and on laboratory experiments, interested in the foundations of physics and metrology and precision experimental techniques. In addition to a rich program of invited talks by renowned colleagues a poster session together with a mini presentation session will allow all participants to present their work. There will be an award for the best poster presentation.

Topics include:

· Astrophysics, cosmology and general relativity

· Particle physics

· Quantum optics, atomic clocks and precision spectroscopy

· Astrophysical search for variation of constants

· Determination of fundamental constants

Venue

Invited Speakers

Klaus Blaum Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg, Germany
Ekkehard Peik Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig, Germany
Holger Müller University of California Berkeley, USA
Wolfgang Quint GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt, Germany
Thomas Udem Max-Planck-Institut für Quantenoptik Garching, Germany
Victor Flambaum University of NS Wales Sydney, Australia
Sergej Levshakov Ioffe Institute St. Petersburg, Russia
Paulo Freire Max-Planck-Institute for Radio Astronomy Bonn, Germany
Katja Janßen Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) Potsdam, Germany
Dmitry Kazakov Joint Institute for Nuclear Research Dubna, Russia
Rita Bernabei Tor Vergata University Rome, Italy
Lidia Smirnova CERN Geneva, Switzerland
Peter Mohr National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, USA
Christof Gaiser Physikalisch-Technische Bundesanstalt Berlin, Germany
Estefania Mirandés Bureau International des Poids et Mesures Paris, France
Horst Bettin Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig, Germany
Dezso Horvath Research Institute for Particle and Nuclear Physics Budapest, Hungaria
Aldo Antognini Eidgenössisch-Technische Hochschule Zürich, Switzerland
Paolo Natoli Università di Ferrara Ferrara, Italy
Sergei Klioner Technische Universtät Dresden Dresden, Germany
Zurab Berezhiani University of L'Aquila L’Aquila, Italy
Peter Schneider Argelander-Institut für Astronomie - Universität Bonn Bonn, Germany

Programme

PROGRAMME

Arrival is noon/afternoon of Wednesday, May 27, 2015

Registration starts at 12:00 on Wednesday

Welcome Coffee and get together at 14:30 on Wednesday

Welcome address at 16:00 on Wednesday

WE-Heraeus-Dinner on Friday, May 29, 2015 at 19:00

Poster Award at 15:30 on Saturday, May 30, 2015

Closing on Saturday, May 30, 2015 at 16:00

 

SCIENTIFIC PROGRAMME

please find our scientific programme Initiates file downloadhere.

 

POSTER PRESENTATIONS

please find the list of the poster presentations (in chronological order) Initiates file downloadhere.

 

 

Organizing Committee

If you have questions, please feel free to contact Joachim Fischer from PTB.

Dr. Savely G. Karshenboim
Pulkovo Observatorium St. Petersburg, 196140, Russland
und: Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching
Tel: 089/32905 109, Fax: 089/32905 200
Email: Opens window for sending emailsavely.karshenboim(at)mpq.mpg.de

Dr. habil. Thomas Udem
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching
Tel: 089/32905 257, Fax: 089/32905 200
Email: Opens window for sending emailthomas.udem(at)mpq.mpg.de

Prof. Dr. Michael Kramer
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Auf dem Hügel 69, 53121 Bonn
Tel: 0228/525 299, Fax: 0228/525 436
Email: Opens window for sending emailmkramer(at)mpifr.de

 

Dr. Joachim Fischer
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Fachbereich 7.4 Temperatur
Abbestr. 2 - 12, 10587 Berlin
Tel: 030/3481 7473, Fax: 030/3481 7508
Email: Opens window for sending emailjoachim.fischer(at)ptb.de

Final Report

Dimensionslose Naturkonstanten wie die Feinstrukturkonstante und die Massenverhältnisse von Elementarteilchen sind in dem Sinne fundamental, dass intelligente Bewohner eines anderen Planeten auf dieselben numerischen Werte stoßen sollten. Bislang müssen diese aus Messungen abgeleitet werden und relativieren damit die Vorhersagekraft existierender Theorien. Diese Wissenslücke ist Motivation nach unbekannten Phänomenen wie der Möglichkeit sich langsam ändernder Naturkonstanten zu suchen. Dafür sind nur sehr genaue oder sich über einen sehr langen Zeitraum erstreckende Messungen geeignet. Mit Atomuhren lassen sich die genauesten Messungen überhaupt durchführen, während astrophysikalische Beobachtungen ein Blick in die Geschichte des Universums und auf die früheren Werte der Naturkonstanten erlauben. Dies ist das verbindende Element im 591. WE-Heraeus-Seminar, das vom 27. bis 30. Mai 2015 im Physikzentrum Bad Honnef stattfand. Im Vortrag über die derzeit besten Atomuhren wurde eine obere Grenze für die relative zeitliche Variation der Feinstrukturkonstanten sowie des Elektron-Proton Massenverhältnis von einigen 10-17 pro Jahr angegeben. Eine signifikant von Null verschiedene Änderung ergab sich dabei bislang nicht. Während genaue Uhren auf kleine Änderungen der Naturkonstanten reagieren, werden deren Werte mit anderen Experimente ermittelt, wie anhand von Bestimmungen der Feinstrukturkonstanten, des Elektron-Proton Massenverhältnisses sowie des g-Faktors des Protons und Antiprotons erläutert wurde.

Für Aufregung sorgt, dass der aus dem myonischen Wasserstoff abgeleitete Proton-Ladungsradius nicht mit dem aus regulärem Wasserstoff übereinstimmt. Dieses Beispiel zeigt, dass es sich lohnt immer genauer zu messen um etwaige Fehler in unseren fundamentalen Theorien oder in deren Anwendungen aufzudecken. Die durch die gesteigerte Präzision der Bestimmungen der Planck-Konstante, der Avogadro-Konstante und der Boltzmann-Konstante aufgetretenen Diskrepanzen zwischen den verschiedenen Experimenten konnten aufgeklärt werden. Eine Neudefinition der Basiseinheiten Kilogramm, Mol, Ampere und Kelvin ist damit 2018 sehr wahrscheinlich.

Den Brückenschlag zur Astronomie schuf ein Überblick über das kosmologische Standardmodell und die verschiedenen Methoden zu seiner experimentellen Überprüfung. Die Vorhersagen sind durch die Entdeckung des Higgs-Bosons beim CERN mit den Experimenten ATLAS und CMS alle glänzend bestätigt, jedoch sind darüber hinausgehende neue physikalische Modelle mit massebehafteten Neutrinos, die Aufschluss über dunkle Materie geben könnten, unklar. Besonderes Interesse bestand an der gemeinsamen Auswertung der Planck-Satellitendaten und denen der Teleskope BICEP2/Keck Array. Die gemessene polarisierte Hintergrundstrahlung lieferte starke Hinweise auf Staubkomponenten, aber keine signifikanten Anzeichen auf die frühe inflationäre Phase des Universums. Die astronomische Sonde GAIA führt derzeit eine hochgenaue optische Durchmusterung des Himmels durch und wird eine starke Bedeutung für Tests der Relativitätstheorie haben. Ähnliche Experimente werden mit Pulsaren in starken Gravitationsfeldern vorgenommen. In allen Fällen hat die Relativitätstheorie bisher alle Tests bestanden, aber neu entdeckte Systeme werden weitere Tests erlauben.

Wir danken der WE-Heraeus-Stiftung für die exzellente Organisation und großzügige finanzielle Unterstützung.

Joachim Fischer, Savely Karshenboim, Michael Kramer und Thomas Udem

Application

If you are interested in participating in this WE-Heraeus-Seminar with a poster presentation please follow this Opens internal link in current windowlink.

The selected candidates will be notified by the WE-Heraeus-Foundation by April 1st, 2015. Please note that the number of participants is limited.

Note of Thanks

The seminar is generously funded by the Wilhelm and Else Heraeus-Foundation, a private German institution which supports scientific research and education with emphasis on physics.

The funding covers local expenses for accomodation and meals for all participants at the Physikzentrum in Bad Honnef. No conference fee will be charged.

more about:Opens external link in new window Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung (German)