<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>A further comment is the Swann’s method does not show that 
“subemittances” are invariant in TIME, but it seems to show that they are 
invariant under leaving the vector potential out of their 
calculation.</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>------------</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>Maybe Lebedev and Bogacz considered an example in which two 
“subemittances” evolved with time such that one increased and the other 
decreased, whereby the “total” emittance remained invariant.</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>This in no way precludes that these subemittances would have 
the same (time-dependent) values if the vector potential were ignored in their 
calculation.</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=kirkmcd@Princeton.EDU 
href="mailto:kirkmcd@Princeton.EDU">Kirk T McDonald</A> </DIV>
<DIV><B>Sent:</B> Thursday, March 10, 2011 6:15 PM</DIV>
<DIV><B>To:</B> <A title=burov@fnal.gov href="mailto:burov@fnal.gov">Alexey 
Burov</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">
<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>
<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>