<HTML><HEAD>
<META content="text/html; charset=UTF-8" http-equiv=Content-Type></HEAD>
<BODY dir=ltr bgColor=#ffffff text=#000000>
<DIV dir=ltr>
<DIV style="FONT-FAMILY: 'Arial'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: 10pt">
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial>Alexey,</FONT></DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial>I understand your hope to “avoid long discussion”, as the 
Lededev/Bogacz paper is more or less incomprehensible to me.</FONT></DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial>It is not clear why parameters epsilon1 and epsilon2 are 
called “emittances”, since they are not invariants.</FONT></DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial>And, I don’t know what indices 1 and 2 refer 
to.</FONT></DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial>Etc.</FONT></DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial>If Valery or Alex care to enlighten me, that would be most 
welcome.</FONT></DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial>--Kirk</FONT></DIV></DIV>
<DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none"><FONT 
size=2 face=Arial></FONT></DIV>
<DIV style="FONT: 10pt tahoma">
<DIV style="BACKGROUND: #f5f5f5">
<DIV style="font-color: black"><B>From:</B> <A title=burov@fnal.gov 
href="mailto:burov@fnal.gov">Alexey Burov</A> </DIV>
<DIV><B>Sent:</B> Thursday, March 10, 2011 6:02 PM</DIV>
<DIV><B>To:</B> <A title=kirkmcd@Princeton.EDU 
href="mailto:kirkmcd@Princeton.EDU">Kirk T McDonald</A> </DIV>
<DIV><B>Cc:</B> <A title=map-l@lists.bnl.gov 
href="mailto:map-l@lists.bnl.gov">map-l@lists.bnl.gov</A> </DIV>
<DIV><B>Subject:</B> Re: [MAP] Liouville's theorem and electromagnetic 
fields</DIV></DIV></DIV>
<DIV>&nbsp;</DIV></DIV>
<DIV 
style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none">Kirk,<BR><BR>they 
are not invariant. To avoid long discussion here, please have a look at 
Lebedev-Bogacz paper:<BR><A class=moz-txt-link-freetext 
href="http://iopscience.iop.org/1748-0221/5/10/P10010/pdf/1748-0221_5_10_P10010.pdf">http://iopscience.iop.org/1748-0221/5/10/P10010/pdf/1748-0221_5_10_P10010.pdf</A>, 
<BR>the very end of it, pp. 21-23. You see that the 2 emittances of e-beam born 
at the magnetized cathode, \epsilon_1 and \epsilon_2 may differ by orders of 
magnitude. This is actual case for e-beam of our e-cooler.&nbsp;&nbsp; 
<BR><BR>Alexey.<BR><BR>On 3/10/2011 4:42 PM, Kirk T McDonald wrote: 
<BLOCKQUOTE cite=mid:608291C1C4744041A10D5279278A9353@mumu30 type="cite">
  <DIV dir=ltr>
  <DIV style="FONT-FAMILY: 'Arial'; COLOR: rgb(0,0,0); FONT-SIZE: 10pt">
  <DIV>Alexey,</DIV>
  <DIV>&nbsp;</DIV>
  <DIV>For the subspace (q,p) we have</DIV>
  <DIV>&nbsp;</DIV>
  <DIV>dq’ dp’ = J dq dp</DIV>
  <DIV>&nbsp;</DIV>
  <DIV>J = | dq’/dq&nbsp; dq’/dp |</DIV>
  <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; | dp’/dq&nbsp; dp’/dp |</DIV>
  <DIV>&nbsp;</DIV>
  <DIV>Suppose p = m v + A&nbsp;&nbsp; (in units where e/c = 1)</DIV>
  <DIV>and we transform</DIV>
  <DIV>q’ = q</DIV>
  <DIV>p’ = mv = p – A(q)</DIV>
  <DIV>&nbsp;</DIV>
  <DIV>Then the Jacobian is</DIV>
  <DIV>J = |&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0 
  |</DIV>
  <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; | –dA/dq&nbsp; 1 | = 1</DIV>
  <DIV>&nbsp;</DIV>
  <DIV>It looks to me like the partial phase volumes are also invariant under 
  the “transformation” of neglecting the vector potential.</DIV>
  <DIV>&nbsp;</DIV>
  <DIV>--Kirk</DIV>
  <DIV>&nbsp;</DIV>
  <DIV 
  style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: rgb(0,0,0); FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none">
  <DIV style="FONT: 10pt tahoma">
  <DIV>&nbsp;</DIV>
  <DIV style="BACKGROUND: rgb(245,245,245)">
  <DIV><B>From:</B> <A title=burov@fnal.gov href="mailto:burov@fnal.gov" 
  moz-do-not-send="true">Alexey Burov</A> </DIV>
  <DIV><B>Sent:</B> Thursday, March 10, 2011 5:33 PM</DIV>
  <DIV><B>To:</B> <A title=map-l@lists.bnl.gov href="mailto:map-l@lists.bnl.gov" 
  moz-do-not-send="true">map-l@lists.bnl.gov</A> </DIV>
  <DIV><B>Subject:</B> Re: [MAP] Liouville's theorem and electromagnetic 
  fields</DIV></DIV></DIV>
  <DIV>&nbsp;</DIV></DIV>
  <DIV 
  style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: 'Calibri'; COLOR: rgb(0,0,0); FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none">One 
  remark to Swann's paper: <BR>His theorem relates to the total emittance, not 
  to the partial ones. Partial emittances are sensitive to eA/c term. <BR><BR>A 
  possible way to get rid of eA/c inside solenoidal structures is to make a fake 
  0-length edge of the solenoid at a place where emittances are calculated; 
  kicks from the edge solenoidal fields have to be taken into account, of 
  course. <BR><BR>Alexey. <BR><BR>On 3/10/2011 4:09 PM, Kirk T McDonald wrote: 
  <BLOCKQUOTE cite=mid:468B48A3C96B4BA3AA66387F9E650168@mumu30 type="cite">
    <DIV dir=ltr>
    <DIV style="FONT-FAMILY: 'Arial'; COLOR: rgb(0,0,0); FONT-SIZE: 10pt">
    <DIV>Folks,</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>There is a technical question as to how we should be calculating 
    emittance for beams in electromagnetic fields.</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>The formal theory of Liouville’s theorem is clear that the invariant 
    volume in phase space is to be calculated with the canonical momentum</DIV>
    <DIV>gamma m v + e A / c</DIV>
    <DIV>and not the mechanical momentum m v.</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>This is awkward in two ways:</DIV>
    <DIV>1.&nbsp;&nbsp; We don’t always know the vector potential of our 
    fields</DIV>
    <DIV>2.&nbsp;&nbsp; The vector potential is subject to gauge 
    transformations, so canonical momentum is not gauge invariant.</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>The second issue is disconcerting in that it suggests that phase-space 
    volume, and emittance, are not actually invariant&nbsp; -- with respect to 
    gauge transformations.</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>Hence, it is useful to note a very old paper,</DIV>
    <DIV>W.F.G. Swann, Phys. Rev. 44, 233 (1933)</DIV>
    <DIV>which shows that the phase-space volume for a set of noninteracting 
    particles is the same whether or not the term e A / c is included in the 
    “momentum”.</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>This result has the consequence that phase-space volume (and emittance) 
    is actually gauge invariant – although the location of a volume element in 
    space space is gauge dependent.</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>---------------</DIV>
    <DIV>This suggests that we could simply calculate emittances based only on 
    the mechanical momentum, and avoid having to worry about the accuracy of our 
    model for the vector potential.</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>Of course, our calculations are actually of rms emittance, which is a 
    better representation of the “ideal” emittance if the phase-space volume is 
    more “spherical”, and not elongated/twisted.</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>It could be that the shape of the phase-space volume is better for rms 
    emittance calculation if the vector potential, in some favored gauge, is 
    included in the calculation.....</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>--Kirk</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>PS&nbsp; I have placed Swann’s paper as DocDB 560</DIV>
    <DIV><A title=http://nfmcc-docdb.fnal.gov:8080/cgi-bin/DocumentDatabase 
    href="http://nfmcc-docdb.fnal.gov:8080/cgi-bin/DocumentDatabase" 
    moz-do-not-send="true">http://nfmcc-docdb.fnal.gov:8080/cgi-bin/DocumentDatabase</A></DIV>
    <DIV>user = ionization pass = mucollider1</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>See also the paper by Lemaitre that used Liouville’s theorem for cosmic 
    rays in the Earth’s atmosphere (using mechanical momentum).&nbsp;&nbsp; This 
    may well be the earliest paper about particle beams and Liouville’s 
    theorem.</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>PPS&nbsp; Scott Berg notes that when one evaluates emittance at a fixed 
    plane in space, rather than at a fixed time, it is better to use the 
    “longitudinal” coordinates (E,t) rather than (P_z,z).</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>Is there any written reference that explains this “well known” 
    fact?</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>How is this prescription affected by electromagnetic fields?</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>The vector potential of even a simple rf accelerating cavity has an A_z 
    component (which is zero on axis, but nonzero off it).</DIV>
    <DIV><A title=http://puhep1.princeton.edu/~mcdonald/examples/cylindrical.pdf 
    href="http://puhep1.princeton.edu/%7Emcdonald/examples/cylindrical.pdf" 
    moz-do-not-send="true">http://puhep1.princeton.edu/~mcdonald/examples/cylindrical.pdf</A></DIV>
    <DIV>Note that the vector potential is nonzero outside the cavity, even 
    though the E and B fields are zero there!</DIV>
    <DIV>&nbsp;</DIV>
    <DIV>Do we know how to include A_z in our longitudinal emittance 
    calculations?</DIV></DIV></DIV><PRE wrap=""><FIELDSET class=mimeAttachmentHeader></FIELDSET>
_______________________________________________
MAP-l mailing list
<A class=moz-txt-link-abbreviated href="mailto:MAP-l@lists.bnl.gov" moz-do-not-send="true">MAP-l@lists.bnl.gov</A>
<A class=moz-txt-link-freetext href="https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l" moz-do-not-send="true">https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l</A>
</PRE></BLOCKQUOTE><BR>
  <HR>
  _______________________________________________<BR>MAP-l mailing list<BR><A 
  class=moz-txt-link-abbreviated 
  href="mailto:MAP-l@lists.bnl.gov">MAP-l@lists.bnl.gov</A><BR><A 
  class=moz-txt-link-freetext 
  href="https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l">https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l</A><BR></DIV></DIV></DIV></BLOCKQUOTE><BR></DIV></DIV></DIV></BODY></HTML>