<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN">
<HTML><HEAD>
<META content=text/html;charset=Windows-1252 http-equiv=Content-Type>
<META name=GENERATOR content="MSHTML 8.00.6001.19019"></HEAD>
<BODY 
style="PADDING-LEFT: 10px; PADDING-RIGHT: 10px; WORD-WRAP: break-word; PADDING-TOP: 15px; -webkit-nbsp-mode: space; -webkit-line-break: after-white-space" 
id=MailContainerBody leftMargin=0 topMargin=0 bgColor=#ffffff 
CanvasTabStop="true" name="Compose message area">
<DIV><FONT size=2 face=Arial>Jim,</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial>Sorry to disturb you with issues of fundamental 
concern for accelerator physics in general, and MAP in particular.</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial>So far, there have been several thought-provoking 
replies to my inquiries, all from people whom I would not have thought to 
contact.&nbsp;&nbsp; That is, using the MAP list has evoked a useful (in my 
view) dialogue among people who otherwise were not in 
communication.</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial>In my view, this is what such email lists are 
for.</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial>If one doesn't like to receive such emails, one 
should opt out of the email list, which is, I believe, maintained by Scott 
Berg.</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial>It could be useful for the MAP collaboration to set 
up sublists, such as accelerator theory, targets, front end, cooling, 
acceleration, decay rings, MICE, design and simulation, technology 
development...., which would somewhat focus dialogues such as the 
present.&nbsp;&nbsp; Of course, this often results in copies of emails being 
sent to several of the sublists, such that the total email traffic is increased, 
not decreased.</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial>But on occasion, such as the present, when one is 
looking for views from the broadest possible group, the master list is the right 
thing to use.</FONT></DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV>
<DIV><FONT size=2 face=Arial>--Kirk</FONT></DIV>
<DIV style="FONT: 10pt Tahoma">
<DIV><BR></DIV>
<DIV style="BACKGROUND: #f5f5f5">
<DIV style="font-color: black"><B>From:</B> <A 
title="mailto:norem@anl.gov&#10;CTRL + Click to follow link" 
href="mailto:norem@anl.gov">Jim Norem</A> </DIV>
<DIV><B>Sent:</B> Friday, March 11, 2011 9:47 AM</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 List</A> ; <A title=dragtnb@comcast.net 
href="mailto:dragtnb@comcast.net">alex dragt</A> </DIV>
<DIV><B>Subject:</B> Re: [MAP] Liouville's theorem and electromagnetic 
fields</DIV></DIV></DIV>
<DIV><BR></DIV>Do you have to send these messages to everybody? 
<DIV><BR></DIV>
<DIV>-- Jim</DIV>
<DIV><BR></DIV>
<DIV><BR>
<DIV>
<DIV>On Mar 10, 2011, at 8:29 PM, Kirk T McDonald wrote:</DIV><BR 
class=Apple-interchange-newline>
<BLOCKQUOTE type="cite">
  <DIV 
  style="PADDING-LEFT: 10px; PADDING-RIGHT: 10px; WORD-WRAP: break-word; PADDING-TOP: 15px; -webkit-nbsp-mode: space; -webkit-line-break: after-white-space" 
  id=MailContainerBody name="Compose message area" leftmargin="0" topmargin="0" 
  bgcolor="#ffffff" canvastabstop="true">
  <DIV><FONT size=2 face=Arial>
  <DIV><FONT size=2 face=Arial>Rob,</FONT></DIV>
  <DIV><FONT size=2 face=Arial></FONT>&nbsp;</DIV>
  <DIV><FONT size=2 face=Arial>1.&nbsp; <FONT face="Times New Roman">"We can't 
  just set the vector potential to zero inside elements where it is nonzero, and 
  expect to calculate the correct eigen-emittances (as was suggested 
  below)."</FONT></FONT></DIV>
  <DIV><FONT size=2></FONT>&nbsp;</DIV>
  <DIV><FONT size=2>This kind of thinking is what follows from emphasis on the 
  canonical/symplectic point of view.</FONT></DIV>
  <DIV><FONT size=2></FONT>&nbsp;</DIV>
  <DIV><FONT size=2>The astonishing result of Swann (now 78 years old) is that 
  if you are willing to "think outside this box", you will find that phase 
  volume has nothing to do with the vector potential.</FONT></DIV>
  <DIV><FONT size=2></FONT>&nbsp;</DIV>
  <DIV><FONT size=2>2.&nbsp; It sounds like you agree with Scott Berg that it's 
  the right thing to use (E,t) rather than (p_z,z) as "canonical" longitudinal 
  coordinates when sampling at fixed z rather than fixed t.</FONT></DIV>
  <DIV><FONT size=2></FONT>&nbsp;</DIV>
  <DIV><FONT size=2>Nonetheless, it would be a service to mankind if this 
  insight could be documented in a manner that ordinary mortals can 
  understand.</FONT></DIV>
  <DIV><FONT size=2></FONT>&nbsp;</DIV>
  <DIV><FONT size=2>I note that you evade the important question of how this 
  works in the presence of electromagnetic fields.</FONT></DIV>
  <DIV><FONT size=2></FONT>&nbsp;</DIV>
  <DIV><FONT size=2>--Kirk</FONT></DIV></FONT></DIV>
  <DIV style="FONT: 10pt Tahoma">
  <DIV><BR></DIV>
  <DIV style="BACKGROUND: #f5f5f5">
  <DIV style="font-color: black"><B>From:</B> <A title=rdryne@lbl.gov 
  href="mailto:rdryne@lbl.gov">Robert D Ryne</A> </DIV>
  <DIV><B>Sent:</B> Thursday, March 10, 2011 7:33 PM</DIV>
  <DIV><B>To:</B> <A title=alexahin@fnal.gov 
  href="mailto:alexahin@fnal.gov">Yuri Alexahin</A> ; <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 List</A> ; <A title=dragtnb@comcast.net 
  href="mailto:dragtnb@comcast.net">alex dragt</A> ; <A 
  title=dragtg5@comcast.net href="mailto:dragtg5@comcast.net">Alex Dragt</A> ; 
  <A title=dragt@physics.umd.edu href="mailto:dragt@physics.umd.edu">Alex 
  Dragt</A> </DIV>
  <DIV><B>Subject:</B> Re: [MAP] Liouville's theorem and electromagnetic 
  fields</DIV></DIV></DIV>
  <DIV><BR></DIV><SPAN style="FONT-SIZE: 17px" class=Apple-style-span>I have not 
  yet read the papers mentioned. But here are some brief comments. Alex Dragt 
  and I (cc to Alex) have been thinking about this a lot in the past 
  months.</SPAN> 
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px"><BR></DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px">The natural quantities to be computed are called 
  "eigen-emittances."</DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px">To compute them properly they need to be derived 
  from a beam 2nd moment matrix, Sigma, formed using canonical variables.</DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px">The eigen-emittances are invariant under linear 
  symplectic transformations.</DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px"><BR></DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px">The eigen-emittances can be computed in various 
  ways, but the simplest is to compute the eigen-values of J Sigma, where J is 
  the fundamental symplectic 2-form; the eigen-emittances are the modulii of the 
  eigen-values of J Sigma (which are pure imaginary and in +/- pairs). If one is 
  interested in calculating the symplectic matrix that transforms Sigma to 
  Williamson normal form, Alex Dragt has an algorithm to do this and has 
  implemented it in the MaryLie code.</DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px"><BR></DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px">Though the entries of Sigma will depend on the 
  choice of gauge, the eigen-emittances themselves are gauge invariant. We can't 
  just set the vector potential to zero inside elements where it is nonzero, and 
  expect to calculate the correct eigen-emittances (as was suggested 
  below).</DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px"><BR></DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px">
  <BLOCKQUOTE style="FONT-SIZE: medium" type="cite">
    <DIV bgcolor="#ffffff" text="#000000">
    <BLOCKQUOTE cite=mid:98FEE0D2849743468CEB0449A30CF803@mumu30 type="cite">
      <DIV dir=ltr>
      <DIV style="FONT-FAMILY: Arial; COLOR: rgb(0,0,0); FONT-SIZE: 10pt">
      <DIV 
      style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: Calibri; COLOR: rgb(0,0,0); FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none">
      <BLOCKQUOTE cite=mid:608291C1C4744041A10D5279278A9353@mumu30 
        type="cite"><DIV dir=ltr>
        <DIV style="FONT-FAMILY: Arial; COLOR: rgb(0,0,0); FONT-SIZE: 10pt">
        <DIV 
        style="FONT-STYLE: normal; DISPLAY: inline; FONT-FAMILY: Calibri; COLOR: rgb(0,0,0); FONT-SIZE: small; FONT-WEIGHT: normal; TEXT-DECORATION: none">
        <BLOCKQUOTE cite=mid:468B48A3C96B4BA3AA66387F9E650168@mumu30 
type="cite">
          <DIV dir=ltr>
          <DIV style="FONT-FAMILY: Arial; COLOR: rgb(0,0,0); FONT-SIZE: 10pt">
          <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></DIV></BLOCKQUOTE></DIV></DIV></DIV></BLOCKQUOTE></DIV></DIV></DIV></BLOCKQUOTE></DIV></BLOCKQUOTE></DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px">&nbsp;</DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px">The above follows directly from whether we use 
  the time t as the independent variable or the Cartesian coordinate z as the 
  independent variable. When using the time, the longitudinal variables are 
  (z,p_{z,canonical}). When using z, the longitudinal variables are (t, -E) 
  where t is arrival time at location z, and where E is the total energy of a 
  particle when it reaches location z, i.e. E=\gamma m c^2 + q \Phi.</DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px"><BR></DIV>
  <DIV style="FONT-SIZE: 17px">Rob</DIV>
  <DIV><BR></DIV>
  <DIV>
  <DIV>On Mar 10, 2011, at 4:29 PM, Yuri Alexahin wrote:</DIV><BR 
  class=Apple-interchange-newline>
  <BLOCKQUOTE type="cite">
    <DIV>Hi Kirk,<BR><BR>Thank you for digging out these interesting 
    papers.<BR>Of course the Poincare invariants remain the same no matter what 
    momenta are used.<BR>But this is not what we calculate from tracking or 
    measurement data using standard definition.<BR>So a clarification is still 
    needed of what and how we should calculate.<BR><BR>Yuri<BR><BR>----- 
    Original Message -----<BR>From: Kirk T McDonald &lt;<A 
    href="mailto:kirkmcd@Princeton.EDU">kirkmcd@Princeton.EDU</A>&gt;<BR>Date: 
    Thursday, March 10, 2011 4:09 pm<BR>Subject: [MAP] Liouville's theorem and 
    electromagnetic fields<BR>To: MAP List &lt;<A 
    href="mailto:map-l@lists.bnl.gov">map-l@lists.bnl.gov</A>&gt;<BR>Cc: Kirk 
    McDonald &lt;<A 
    href="mailto:kirkmcd@Princeton.EDU">kirkmcd@Princeton.EDU</A>&gt;<BR><BR><BR>
    <BLOCKQUOTE type="cite">Folks,<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">There is a technical question as to how we should 
      be calculating <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">emittance for beams in electromagnetic 
    fields.<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">The formal theory of Liouville’s theorem is clear 
      that the invariant <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">volume in phase space is to be calculated with the 
      canonical momentum<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">gamma m v + e A / c<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">and not the mechanical momentum m 
v.<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">This is awkward in two ways:<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">1. &nbsp;&nbsp;We don’t always know the vector 
      potential of our fields<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">2. &nbsp;&nbsp;The vector potential is subject to 
      gauge transformations, so <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">canonical momentum is not gauge 
    invariant.<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">The second issue is disconcerting in that it 
      suggests that phase-space <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">volume, and emittance, are not actually invariant 
      &nbsp;-- with respect to <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">gauge transformations.<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">Hence, it is useful to note a very old 
    paper,<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">W.F.G. Swann, Phys. Rev. 44, 233 
    (1933)<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">which shows that the phase-space volume for a set 
      of noninteracting <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">particles is the same whether or not the term e A 
      / c is included in <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">the “momentum”.<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">This result has the consequence that phase-space 
      volume (and <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">emittance) is actually gauge invariant – although 
      the location of a <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">volume element in space space is gauge 
      dependent.<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">---------------<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">This suggests that we could simply calculate 
      emittances based only on <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">the mechanical momentum, and avoid having to worry 
      about the accuracy <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">of our model for the vector 
    potential.<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">Of course, our calculations are actually of rms 
      emittance, which is a <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">better representation of the “ideal” emittance if 
      the phase-space <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">volume is more “spherical”, and not 
      elongated/twisted.<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">It could be that the shape of the phase-space 
      volume is better for rms <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">emittance calculation if the vector potential, in 
      some favored gauge, <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">is included in the calculation.....<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">--Kirk<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">PS &nbsp;I have placed Swann’s paper as DocDB 
      560<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><A 
      href="http://nfmcc-docdb.fnal.gov:8080/cgi-bin/DocumentDatabase">http://nfmcc-docdb.fnal.gov:8080/cgi-bin/DocumentDatabase</A><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">user = ionization pass = 
mucollider1<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">See also the paper by Lemaitre that used 
      Liouville’s theorem for <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">cosmic rays in the Earth’s atmosphere (using 
      mechanical momentum). &nbsp;&nbsp;<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">This may well be the earliest paper about particle 
      beams and <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">Liouville’s theorem.<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">PPS &nbsp;Scott Berg notes that when one evaluates 
      emittance at a fixed <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">plane in space, rather than at a fixed time, it is 
      better to use the <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">“longitudinal” coordinates (E,t) rather than 
      (P_z,z).<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">Is there any written reference that explains this 
      “well known” fact?<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">How is this prescription affected by 
      electromagnetic fields?<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">The vector potential of even a simple rf 
      accelerating cavity has an <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">A_z component (which is zero on axis, but nonzero 
      off it).<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><A 
      href="http://puhep1.princeton.edu/~mcdonald/examples/cylindrical.pdf">http://puhep1.princeton.edu/~mcdonald/examples/cylindrical.pdf</A><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">Note that the vector potential is nonzero outside 
      the cavity, even <BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">though the E and B fields are zero 
    there!<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">Do we know how to include A_z in our longitudinal 
      emittance calculations?<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE 
    type="cite">_______________________________________________<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite">MAP-l mailing list<BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><A 
      href="mailto:MAP-l@lists.bnl.gov">MAP-l@lists.bnl.gov</A><BR></BLOCKQUOTE>
    <BLOCKQUOTE type="cite"><A 
      href="https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l">https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l</A><BR></BLOCKQUOTE>_______________________________________________<BR>MAP-l 
    mailing list<BR><A 
    href="mailto:MAP-l@lists.bnl.gov">MAP-l@lists.bnl.gov</A><BR><A 
    href="https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l">https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l</A><BR></DIV></BLOCKQUOTE></DIV><BR></DIV>_______________________________________________<BR>MAP-l 
  mailing list<BR><A 
  href="mailto:MAP-l@lists.bnl.gov">MAP-l@lists.bnl.gov</A><BR>https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l<BR></BLOCKQUOTE></DIV><BR></DIV></BODY></HTML>