BESIII上D0(+)介子遍举η衰变的实验研究

The weak decays of charmed mesons provide an ideal window to explore the strong and weak effects. The 2016 edition of《Particle Data Group》shows that there is large difference between the inclusive η decay branching fraction and sum of the branching fractions of the known exclusive η decays of D0(+) mesons. This indicates that there is considerable room to study the exclusive η decays of D0(+) mesons. Using the singly and/or doubly tagged D0(+) mesons from the 2.93 fb-1 data collected at the center-of-mass energy of 3.773 GeV with the BESIII detector, we propose to study some exclusive η decays of D0(+) mesons. These include (1) measurements of the absolute branching fractions of the two-body hadronic decays D0→K_S/K_LX (X=η,η') and the decay asymmetries of D0→K_SX and D0→K_LX decays, (2) measurements of the absolute branching fractions of the three-body hadronic decays D0(+)→Kπη and D0(+)→Kπη', (3) measurements of the absolute branching fractions of the four-body hadronic decays D0(+)→Kππη. In this project, we will provide the absolute branching fractions for 15 hadronic decays of D0(+) mesons, in which eleven of them are measured for the first time and two of them are measured with improved precision. These results will provide comprehensive inputs for the background estimations of the precision measurements in D and B physics, and provide desirable experimental data to test the theoretical calculations of the two-body hadronic decay branching fractions and their decay asymetries, which will benefit the understanding of the SU(3) symmetry break and CP voilation in charmed mesons in theory.

粲介子弱衰变是探讨强弱相互作用的一个理想窗口。国际权威《粒子数据手册PDG2016》显示，D0(+)介子单举和遍举η衰变分支比之间严重不饱合，亟待全面的实验研究。本项目计划利用BESIII在3.773 GeV采集的2.93 fb-1数据，使用单标记和双标记D介子的方法，以遍举η强子衰变为主线开展以下研究：(1) 测定两体强子衰变D0→K_S/K_LX(X=η、η') 的绝对分支比，探讨其衰变的不对称性；(2) 测定三体强子衰变D0(+)→Kπη和D0(+)→Kπη'的绝对分支比；(3) 测定四体强子衰变D0(+)→Kππη的绝对分支比。本项目研究将完成分支比测量15项，其中，填补PDG空白11项，改进测量2项，为D和B物理精密测量工作中的背景估计提供全面的输入常数，检验两体强子衰变分支比及其不对称性的理论计算，改善理论对粲介子衰变中SU(3)对称性及其破坏效应和CP破坏的理解。

粲介子的各类强子和含轻衰变为人们深入探讨粲夸克衰变中的强、弱相互作用，精密检验标准模型提供了理想的平台。在本项目研究之前，国际粲介子物理实验领域内，D0(+)介子单举η衰变分支比与遍举η衰变分支比之和严重不饱和，表明D0(+)介子有大量多体遍举η衰变丢失，亟待全面的实验研究。此外，近年来，轻子普适性检验成为国际重味物理研究的一个热点专题，要求对各类重介子、包括粲介子的各类含轻衰变中的轻子普适性进行精密或系统的检验。同时，粲介子双卡比玻压制衰变与相应卡比玻允许衰变分支比的比值为人们深入探讨CKM机制打开了一个理想窗口，但这类衰变此前没有使用近阈数据研究的先例。BESIII在3.773 GeV采集了2.93 fb-1数据，这是世界上最大的近阈D0(+)介子样本，为本项目开展提供了良好契机。契合上述国际粲物理研究热点，本项目完成或开展了多项相关的实验研究，取得多个国际领先的重要物理成果。我们首次系统地测定了D0(+)介子二十多个遍举η强子衰变的绝对分支比，观测到十多个新衰变模式，填补了粲介子发现40多年来实验研究的空白；测定了正反粲介子到部分衰变道的分支比的不对称性，结果表明没有发现电荷宇称破坏效应。这些强子衰变绝对分支比能够为D和B物理精密测量工作中的背景估计提供全面的输入常数，有助于检验两体强子衰变分支比及其不对称性的理论计算，改善理论对粲介子衰变中SU(3)对称性及其破坏效应和CP破坏的理解。我们发现了异常大分支比的双卡比玻压制衰变D+→K+π+π-π0，与相应卡比玻允许衰变分支比的比值打破了对此类衰变的传统认知。我们精密测量了半轻衰变D0→K-μ+νμ并首次发现D+→ημ+νμ，与相应电子道分支比或跃迁率对比，结果判定在当前精度下未发现粲介子衰变中μ-e轻子普适性破坏迹象；基于对这两个衰变动力学的研究，提取了形状因子和CKM矩阵元|Vcs(d)|，结果为刻度格点QCD等理论计算的形状因子和检验CKM矩阵的幺正性提供了重要数据。我们还首次发现了D+介子到轴矢量粒子K1(1270)的半轻衰变，在基于夸克模型的理论预期此类衰变存在30年后，首次在实验上证实理论预言的可靠性，并为深入探讨存在长期争议的K1混合角提供了重要依据。相关研究结果已发表论文7篇，其中5篇发表在国际顶级物理期刊Phys.Rev.Lett.上。