<HTML><HEAD></HEAD>
<BODY dir=ltr>
<DIV dir=ltr>
<DIV style="FONT-FAMILY: 'Arial'; COLOR: #000000; 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">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/~mcdonald/examples/cylindrical.pdf">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></BODY></HTML>