Charm Physics Potentialat BESIIICharm Physics Potentialat BESIII
Kanglin HeKanglin He
Jan. 2004, BeijingJan. 2004, Beijing
hekl@ihep.ac.cnhekl@ihep.ac.cn
OutlineOutline
Charm physics at threshold
Absolute Branching Ratio
Leptonic Decay and Decay Constant
Semileptonic Decay and CKM Matrix
Physics Beyond Standard Model
D0D0 Mixing
CP violation
Rare Charm Decay
Summary
Charm Physics at ThresholdCharm Physics at Threshold
Charm threshold
D physics @3.77GeV
Ds physics @4.03GeV and @4.14GeV
Why charm threshold
Pair production of charmed D and Ds mesons
With less or without background
Take the advantage of BEPCII and BESIII
Large data sample
Better mass resolution and particle identification
Charm Cross Section andEvent Number for yr runningCharm Cross Section andEvent Number for yr running
Physics
C.M.S (GeV)
Peak Lum.
1033cm-2s-1
cross section
(nb)
EventNumber
D
3.77
1.0
~5
~25M
Ds
4.03
0.6
~0.32
~1M
Ds
4.14
0.6
~0.67
~2M
Absolute Branching RatioAbsolute Branching Ratio
Precision of Br(D0→Kπ), Br(D+ →Kππ),Br(Ds→φπ) are normalization constants for
Precision D, Ds physics
Precision B physics
Precision of Br(D0→Kπ), Br(D+ →Kππ) ,Br(Ds→φπ) are needed for
Decay constants
Precision of CKM elements
Model independent measurements at BESIII
Tagging Technology(1)Tagging Technology(1)
Pair Production of D and Ds mesons
Large Brs (1~10%) of hadronic decay modes
High tagged efficiency
~5M D tags,  >0.2M Ds tags
Tagging Technology(2) Beam Constrain MassTagging Technology(2) Beam Constrain Mass
D+Kππ ModeD+Kππ Mode
GeV/c2
Tagging Technology(3)Kinematic constrain for Double tagsTagging Technology(3)Kinematic constrain for Double tags
D+ Double Tags
D0 Double Tags
80 pb-1 Monte Carlo DATA @3.77GeV
Number of observed double tagsin 5fp-1 Ds Data at 4.03GeVNumber of observed double tagsin 5fp-1 Ds Data at 4.03GeV
~7000 double tags
Tagging Technology(4)Tagging Technology(4)
Number of expected double tags
Number of expected single tags
Combining the single tags and double tags
Precision ofAbsolute Branching RatioPrecision ofAbsolute Branching Ratio
Now
BESIII
D0→Kπ
~2.4%
<1%
D+→Kππ
~6.6%
<1%
Dsφπ
~25%
<2%
Improvement after BESIII
Leptonic Decay andDecay ConstantLeptonic Decay andDecay Constant
Measurement of Decay constantsat BESIIIMeasurement of Decay constantsat BESIII
Take the advantage of running at charm threshold
Pair production  →Double tag method, model independent
Take the advantage of BESIII detector
High muon identification efficiency  →suppress background
Take the advantage of BEPCII
Large data sample →reduce statistic error
Information on the meson wave function
Test lattice QCD
Extract CKM elements
 |Vcd|, |Vcs|
Theory→ extract |Vtd|, |Vts|
Analysis TechniqueAnalysis Technique
Double tag measurements
Tagged D(s)  with hadronic decay modes
muon identification
Absent of isolated photons
Reconstruction of missing mass square  →0
Measurement of fDsMeasurement of fDs
stag
Precision of fD(s) (1)Precision of fD(s) (1)
Major
Uncertainty
Precision of fD(s) (2)Precision of fD(s) (2)
Great improvement after BESIII
Semileptonic decay andCKM MatrixSemileptonic decay andCKM Matrix
p
D(s)
Form
Factor
Measurement of CKMat BESIIIMeasurement of CKMat BESIII
Good performance of BESIII detector
e/π/μ identification
mass resolution
Extract |Vcd|, |Vcs|
Form factor shape and normalization
Γ(q2) describe the contribution of form factor, itwas calculated from lattice QCD.
 The shape of form factor are helpful to theory.
Extract the ratio of |Vcd/Vcs|
Extract |Vub| from B physics  →Theory
Analysis TechniqueAnalysis Technique
Hadronic tag
PID
Umiss
Signal
Signal
Background
Background
(GeV/c)
Precision of Branching Ratioof D0D+ Semileptonic DecayPrecision of Branching Ratioof D0D+ Semileptonic Decay
Precision
Now
BESIII
D0→Klν
~4.4%
<1%
D0πlν
~17%
<2%
D+→Klν
~12%
<2%
Precision of CKMPrecision of CKM
Form factor term ΔΓ/Γcome from theory (LatticeQCD). Supposing ΔΓ/Γ ~3% , BESIII will get
Form FactorsForm Factors
From semileptonic decay of charm meson,dN/dq2 will provide information on form factors
(under studying)
Physics Beyond Standard ModelPhysics Beyond Standard Model
D0D0 Mixing at ψ(3770)
In SM, mixing is very small(10-6).
BESIII is sensitive to 10-4
Possible to measure the phase shift
CP violation in charm decays
SM predicts the ACP may be as big as 10-3.
BESIII is sensitive to ACP >10-2
Rare Charm Decay
D0D0 MixingD0D0 Mixing
 
D0 decays as D0
Separate Mixing from DCS
Mixing Phenomenology(1)Mixing Phenomenology(1)
Like the K0K0 mixing, constructing DS and DL
Experimental SituationExperimental Situation
x
0
0.1
0.2
0
-0.1
0.1
y
x and y are in the orders of 10-210-1
Mixing Phenomenology(2)Mixing Phenomenology(2)
DCS
Mixing
CF
Measuring the Asymmetry ofCP eigenstate
(K+K-(+), Ksρ0(-)  …)
Supposing CP violation is small
Possible to measure the phase shift
Mixing at ψ(3770)Mixing at ψ(3770)
The D0 and D0 are produced coherently inJPC=1-- state
DCSD (Double Cabbibo Suppressed Decay)contribution is 0 at ψ(3770)
D0 produced ~at rest, cannot measure ΔΓ (y)directly by using lifetime difference
Useful for measuring rD
Experimental Searching forD0D0 MixingExperimental Searching forD0D0 Mixing
Big challenge to PID (Kπchannel)
Main backgrounds come from the doublemiss-PID
Searching in semi-leptonic decay modesare experimental difficulty with 2 missingneutrino (hard to reduce backgroundcontribution to 10-4)
Monte Carlo study with different PID(TOF resolution)
Detection efficiency vsTOF resolutionDetection efficiency vsTOF resolution
Background rates vsTOF resolutionBackground rates vsTOF resolution
Probing New Physics to  rD~10-4
The detection efficiency is ~40%, ~20K eventswith D0→K+πare expected to be found in 5fb-1ψ(3770) data
The background contamination rate is0.1─0.5x10-4 while the TOF resolution variesfrom 65ps to 100ps
BESIII is sensitive to 10-4 for the mixing rate ifthe TOF resolution is designed to be around100ps.
CP Violation at ψ(3770)CP Violation at ψ(3770)
Suppose Both D0 decay to CPeigenstate f1 and f2 .
Any oberservations of
CP(f1)=CP(f2) at ψ(3770) are thedirect evidence of  CP Violation
Several hundreds events with 100% CP eigenstatewill be found in 5fb-1 ψ(3770) data.  The sensitivity ofdirect CP violation is ACP~10-210-1
Rare Charm DecayRare Charm Decay
The Up limit for most modes listed above
are estimated in the range of 10-6─10-5,will update PDG data.
Summary BESIII contributes to charm physics onSummary BESIII contributes to charm physics on
Precision absolute branching ratio of charmmesons (<1% for D, <2% for Ds)
Precision decay constants (2~3%)
Precision CKM Matrix (<2%)
Sensitive to rD~10-4 for mixing
Sensitive to ACP~10-2─10-1 for CP violation
Set the up limit of branching ratio for most rarecharm decays to 10-6─10-range
And more, more,……
Comparison of BES3, CLEO-c and B-factoriesOn Charm physics topicsComparison of BES3, CLEO-c and B-factoriesOn Charm physics topics
Measurement
B-factories
CLEO-c
BES3
2004
1yr
1yr
(2~3)%
~0.6%
<1%
(3~5)%
~0.7%
<1%
(5~10)%
~1.9%
<2%
>10%
~2.3%
~3%
(6~9)%
~1.7%
~2.5%
Major Error
Sys.
Stat.
* D/Ds cross section over estimated by a factor of 2this number need confirming
Thank  you !Thank  you !
谢谢谢谢