<html><head></head><body style="word-wrap: break-word; -webkit-nbsp-mode: space; -webkit-line-break: after-white-space; ">Yes. &nbsp;I'm interested.<div><br></div><div>-- Kevin</div><div><br><div><div>On Mar 11, 2011, at 7:47 AM, Jim Norem wrote:</div><br class="Apple-interchange-newline"><blockquote type="cite"><div style="word-wrap: break-word; -webkit-nbsp-mode: space; -webkit-line-break: after-white-space; ">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" leftmargin="0" topmargin="0" bgcolor="#ffffff" canvastabstop="true" name="Compose message area">
<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 text="#000000" bgcolor="#ffffff">
  <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><a href="https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l">https://lists.bnl.gov/mailman/listinfo/map-l</a><br></blockquote></div><br></div></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>
<span class="Apple-style-span" style="border-collapse: separate; color: rgb(0, 0, 0); font-family: Helvetica; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: normal; orphans: 2; text-align: auto; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-border-horizontal-spacing: 0px; -webkit-border-vertical-spacing: 0px; -webkit-text-decorations-in-effect: none; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px; font-size: medium; "><div><div>_____________________________________________________</div><div>Kevin Paul, Research Scientist</div><div>Tech-X Corporation, 5621 Arapahoe Ave, Ste A, Boulder, CO 80303</div><div><a href="mailto:kpaul@txcorp.com">kpaul@txcorp.com</a> &nbsp;| &nbsp;PH: (720) 974-1854 &nbsp;| &nbsp;FX: (303) 448-7756</div></div><div><br></div></span><br class="Apple-interchange-newline">
</div>
<br></div></body></html>