Recent BABAR Charm Physics ResultsRay F. Cowan

M.I.T.Representing the BABAR CollaborationRepresenting the BABAR Collaboration

PANIC 11

OutlineOutline

• The BaBar detector and datasetThe BaBar detector and dataset

• Search for CPV in D +Ksπ+

S h f C i dd l i i f• Search for CPV in T‐odd  correlations in four‐body charm decays

• Dalitz plot analysis of D+s K+K−π+

• Mass and width of the Ds1(2536)+s1( )

• Searches for non‐hadronic rare D decays – D0 γγ– D γγ

25 July 2011 2Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA

The BaBar detector at PEP‐IIThe BaBar detector at PEP II

NIM A479, 1 (2002)NIM A479, 1 (2002)

25 July 2011 3Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA

DatasetDataset• PEP‐II at SLAC is not only a B 

factory but also a charm factory 470 x 106 B anti B pairs– 470 x 106 B anti‐B pairs

– 690 x 106 c anti‐c pairs– 500 x 106 τ+τ− pairs

25 July 2011 4Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA

CP violation in D decays with a K0SCP violation in D decays with a K S

• Standard model CPV arises from the Kobayashi‐Maskawaphase in the CKM matrix

Ch• Charm mesons– CP violation (CPV) is GIM suppressed, O(10−3)– Occurrence of a K0S introduces CPV of (0.332±0.006)% from 

K0/ ti K0 i iK0/anti‐K0 mixing– Experimental sensitivity is O(10−3)– New physics would be indicated by a 1% signal

25 July 2011 5Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA

Search for CPV in D ±K π+Search for CPV in D KsπPRD‐RC 83 071103 (2011)

• Direct CPV in Ks decays contributes– New physics effects could reduce or enhance 

this effect• Uses new data‐driven method to determine 

charge asymmetry in track reconstruction– Use of tracks from e+e− Y(4S)  B anti‐B– Avoids any physics‐induced charge asymmetry– Corrections applied to D yields

800K signal eventsSolid line: signal; Dashed: reflection bkgDotted: combinatoric bkg

Ratio of π+/π− detection efficiencies (top)

469 fb‐1

Error on ratio (bottom) 

25 July 2011 6Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA

Search for CPV in D ±K π±Search for CPV in D Ksπ• Measure

• CPV asymmetry measured in bins of polar angle cos θ* in CMS

• Forward‐backward asymmetry from electroweak γ‐Z interference

• Result

– Consistent with SM prediction (‐0.332 ± 0.006)%

PRD 83 071103 (2011)

25 July 2011 7Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA

Search for CPV in T‐odd  correlations in four‐body charm decaysbody charm decays

• Measure a T‐odd observable– If CPT is conserved, then T‐violation 

implies CPVimplies CPV

• Use D+(s) K+Ksπ+π− decays

• Define T‐odd observable for D(s)+

• And for D(s)−

• Define asymmetries

• Remove FSI effects using T‐odd variable

25 July 2011 Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA 8

T‐odd observables in D+(s) K+Ksπ+π− decays

• Reconstruct D±(s) 

inclusively• p*(D) > 2.5 GeV/c• Use sidebands to 

t i b k dparametrize backgrounds• Binned maximum‐

likelihood fit• Bkg model: 1st order poly 

(D±); 2nd order poly (D±s)

• Signal model: 2 Gaussians with common mean

• 20,000 D±; 30,000 D±s

Systematics (x 10‐3)

25 July 2011 Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA 9

T‐odd observables in D+(s) K+Ksπ+π− decays

• Results

• T violation parameters are consistent with zero

Arxiv:1105.4410 (hep‐ex)Submitted to PRD RCconsistent with zero Submitted to PRD‐RC

FOCUS: PL B622, 239 (2005)• And a factor of 10 smaller 

uncertainties  than previous result• Similar to BaBar analysis for D0

K+K−π+π−

25 July 2011 Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA 10

PRD 81, 111103 (2010)

Dalitz plot analysis of D+ K+K−π+Dalitz plot analysis of D s K K π

• Questions remain regarding light scalar mesonsg g g– Are a0(980) and f0(980) four‐quark states?

N d b d d KK• Need to better understand KK s‐wave– Also needed for precise CPV studies in Bs oscillations using BsJ/ψφg s /ψφ

• Study using D*s(2112) D+sγ, D+

s K+K−π+

– Partial wave analysis yields a model‐independent description of the KK s‐wave

• Complements our earlier ππ s‐wave analysisComplements our earlier ππ s wave analysis

25 July 2011 11Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA

Dalitz plot analysis of D+s K+K−π+

• Select events using– p*(D+

s)>2.5 GeV/c, – Δm = m(KKπγ) − m(KKπ) 

SignalBackground

– and three kinematic variables combined into one likelihood ratio

• Use Legendre moments to• Use Legendre moments to separate S and Pcontributions

Then parameterize  the f0(980):

25 July 2011 12Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA

Dalitz plot analysis of D+s K+K−π+

• Dalitz fit model– fsig : signal fraction– η : efficiencies– ci: ampl. of fitted signal i

component I– x,y: KK, Kπmass2

– Ai, Bj : signal & background PDF contributions

– IX: normalization integrals– ki: magnitude of ith background 

componentcomponent• Use of model‐independent 

background removes uncertainties from coupling constants in previous analyses

• Gives a better description of the l l d h l fDalitz plot and the total fit 

fractionsPRD 83, 052001 (2011)

D li fi j i

25 July 2011 13Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA

Dalitz fit projections

Mass and width of the Ds1(2536)+• D masses and widths are not in good agreement with HQET• Dsj masses and widths are not in good agreement with HQET

• Alternative explanations include D*K molecules, chiral partners, unitarizedchiral models, tetraquarks, and LQCD, q , Q

• This result is the first precise measurement of the Ds1(2536)+ mass– First ever measurement of Ds1(2536)+ width 

• Uses the decay modes m(D0) Δm m(KS)

Kπ

Kπππ

25 July 2011 Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA 14

Mass and width of the Ds1(2536)+• Fit Δm = m(Ds1(2536)+) − 

m(D*+)• Relativistic Breit‐Wigner plus 

resolution function– Result

m(D 1(2536)+) = 2535.08±0.01±0.15 MeV/c2

Angular analysis( )

m(Ds1(2536) )   2535.08±0.01±0.15 MeV/cΓ(Ds1(2536)+) ) = 0.92±0.03±0.04 MeV/c2

Distribution of Ds1(2536)+ to D0 helicity angle (left) and to D* helicity angle (right) 

fi JP 1+confirms JP = 1+

Dash‐dotted line: constant;Solid line: (sin2θ’+βcos2θ’);

h d li 2θ’

Dotted line: constant;Solid line: (1+tcos2θ)

25 July 2011 Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA 15

Dashed line: cos2θ’;Dotted line: sin2θ’

Rare Decays: D0 γγRare Decays: D γγ• FCNC: GIM‐suppressed loop diagrams in 

charm sectorh l b• Short‐ and long‐distance contributions predicted to be at least O(102) below current experimental sensitivity

• Standard model is dominated by long‐di t t ib tidistance contributions 

– PRD 66, 014009 (2002) • New physics could enhance the rate

25 July 2011 Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA 16

D0 γγ• BaBar preliminary

– 407.5 fb‐1

• Dominant background D0 π 0π00π0

• Normalize to D0 Ksπ0  mode– Eliminates or reduces several 

systematic uncertainties 

Comb bkgComb bkg + D0 π0π0

Comb bkg + D0 π0π0 + signaldatadata

BABARlpreliminary

25 July 2011 Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA 17

Summary• Search for CPV in D ±Ksπ±

– Consistent with zero and with Standard Model prediction• T‐odd observables in D+

(s) K+Ksπ+π− decays(s) s y– T violation parameters are consistent with zero– Uncertainties 10x smaller than previous result

• Partial wave & Dalitz plot analysis of D+s K+K−π+

– Yields model‐independent KK s‐wave description– Improved Dalitz plot description and total fit fractions

• Precision mass and width of Ds1(2536)+– m(Ds1(2536)+) = 2535.08±0.01±0.15 MeV/c2– Γ(Ds1(2536)+) ) = 0.92±0.03±0.04 MeV/c2– First precision measurement of the mass 

Fi t t f th idth– First ever measurement of the width• Rare decay D0 γγ

– B(D0 γγ) < 2.4 x 10‐6

10x lower than PDG value– 10x lower than PDG value

25 July 2011 Ray Cowan — Recent  BABAR Charm Physics Results — PANIC11 —MIT, Cambridge, MA USA 18