<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>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: #000000; FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none">
<DIV style="FONT: 10pt tahoma">
<DIV><FONT face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV>
<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 5:33 PM</DIV>
<DIV><B>To:</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">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">MAP-l@lists.bnl.gov</A>
<A class=moz-txt-link-freetext href="https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l">https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l</A>
</PRE></BLOCKQUOTE><BR>
<P>
<HR>
_______________________________________________<BR>MAP-l mailing 
list<BR>MAP-l@lists.bnl.gov<BR>https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l<BR></DIV></DIV></DIV></BODY></HTML>