Letter
Open Access

Measurement of the $D^{0} \to K^{-} π^{+} e^{+} e^{-}$ branching fraction and search for $D^{0} \to π^{+} π^{-} e^{+} e^{-}$ and $D^{0} \to K^{+} K^{-} e^{+} e^{-}$ decays at Belle

I. Adachi , L. Aggarwal , H. Ahmed , Y. Ahn , H. Aihara , N. Akopov , S. Alghamdi , M. Alhakami , A. Aloisio et al. (Belle and Belle II Collaborations)

A. Aloisio , N. Althubiti , K. Amos , M. Angelsmark , N. Anh Ky , C. Antonioli , D. M. Asner , H. Atmacan , T. Aushev , V. Aushev , M. Aversano , R. Ayad , V. Babu , H. Bae , N. K. Baghel , S. Bahinipati , P. Bambade , Sw. Banerjee , S. Bansal , M. Barrett , M. Bartl , J. Baudot , A. Baur , A. Beaubien , F. Becherer , J. Becker , J. V. Bennett , F. U. Bernlochner , V. Bertacchi , M. Bertemes , E. Bertholet , M. Bessner , S. Bettarini , V. Bhardwaj , B. Bhuyan , F. Bianchi , L. Bierwirth , T. Bilka , D. Biswas , A. Bobrov , D. Bodrov , A. Bolz , A. Bondar , J. Borah , A. Boschetti , A. Bozek , M. Bračko , P. Branchini , N. Brenny , R. A. Briere , T. E. Browder , A. Budano , S. Bussino , Q. Campagna , M. Campajola , L. Cao , G. Casarosa , C. Cecchi , J. Cerasoli , M.-C. Chang , P. Chang , R. Cheaib , P. Cheema , C. Chen , L. Chen , B. G. Cheon , K. Chilikin , J. Chin , K. Chirapatpimol , H.-E. Cho , K. Cho , S.-J. Cho , S.-K. Choi , S. Choudhury , J. Cochran , I. Consigny , L. Corona , J. X. Cui , E. De La Cruz-Burelo , S. A. De La Motte , G. de Marino , G. De Nardo , G. De Pietro , R. de Sangro , M. Destefanis , S. Dey , R. Dhamija , A. Di Canto , F. Di Capua , J. Dingfelder , Z. Doležal , I. Domínguez Jiménez , T. V. Dong , X. Dong , K. Dort , D. Dossett , S. Dubey , K. Dugic , G. Dujany , P. Ecker , M. Eliachevitch , D. Epifanov , R. Farkas , P. Feichtinger , T. Ferber , T. Fillinger , C. Finck , G. Finocchiaro , A. Fodor , F. Forti , A. Frey , B. G. Fulsom , A. Gabrielli , E. Ganiev , M. Garcia-Hernandez , R. Garg , G. Gaudino , V. Gaur , V. Gautam , A. Gellrich , G. Ghevondyan , D. Ghosh , H. Ghumaryan , G. Giakoustidis , R. Giordano , A. Giri , P. Gironella Gironell , A. Glazov , B. Gobbo , R. Godang , O. Gogota , P. Goldenzweig , E. Graziani , D. Greenwald , Z. Gruberová , T. Gu , Y. Guan , K. Gudkova , I. Haide , S. Halder , Y. Han , T. Hara , C. Harris , K. Hayasaka , H. Hayashii , S. Hazra , M. T. Hedges , A. Heidelbach , I. Heredia de la Cruz , M. Hernández Villanueva , T. Higuchi , M. Hoek , M. Hohmann , R. Hoppe , P. Horak , C.-L. Hsu , A. Huang , T. Humair , T. Iijima , K. Inami , G. Inguglia , N. Ipsita , A. Ishikawa , R. Itoh , M. Iwasaki , P. Jackson , D. Jacobi , W. W. Jacobs , E.-J. Jang , Q. P. Ji , S. Jia , Y. Jin , A. Johnson , K. K. Joo , H. Junkerkalefeld , A. B. Kaliyar , J. Kandra , K. H. Kang , S. Kang , G. Karyan , T. Kawasaki , F. Keil , C. Ketter , C. Kiesling , C.-H. Kim , D. Y. Kim , J.-Y. Kim , K.-H. Kim , Y. J. Kim , Y.-K. Kim , H. Kindo , K. Kinoshita , P. Kodyš , T. Koga , S. Kohani , K. Kojima , A. Korobov , S. Korpar , E. Kovalenko , R. Kowalewski , P. Križan , P. Krokovny , T. Kuhr , Y. Kulii , D. Kumar , J. Kumar , M. Kumar , R. Kumar , K. Kumara , T. Kunigo , A. Kuzmin , Y.-J. Kwon , S. Lacaprara , Y.-T. Lai , K. Lalwani , T. Lam , L. Lanceri , J. S. Lange , T. S. Lau , M. Laurenza , K. Lautenbach , R. Leboucher , F. R. Le Diberder , M. J. Lee , C. Lemettais , P. Leo , D. Levit , P. M. Lewis , C. Li , H.-J. Li , L. K. Li , Q. M. Li , S. X. Li , W. Z. Li , Y. Li , Y. B. Li , Y. P. Liao , J. Libby , J. Lin , S. Lin , Z. Liptak , M. H. Liu , Q. Y. Liu , Y. Liu , Z. Q. Liu , D. Liventsev , S. Longo , A. Lozar , T. Lueck , C. Lyu , Y. Ma , C. Madaan , M. Maggiora , S. P. Maharana , R. Maiti , S. Maity , G. Mancinelli , R. Manfredi , E. Manoni , M. Mantovano , D. Marcantonio , S. Marcello , C. Marinas , C. Martellini , A. Martens , A. Martini , T. Martinov , L. Massaccesi , M. Masuda , T. Matsuda , D. Matvienko , S. K. Maurya , M. Maushart , J. A. McKenna , R. Mehta , F. Meier , D. Meleshko , M. Merola , C. Miller , M. Mirra , S. Mitra , K. Miyabayashi , H. Miyake , R. Mizuk , G. B. Mohanty , S. Mondal , S. Moneta , H.-G. Moser , M. Mrvar , R. Mussa , I. Nakamura , M. Nakao , Y. Nakazawa , M. Naruki , Z. Natkaniec , A. Natochii , M. Nayak , G. Nazaryan , M. Neu , C. Niebuhr , M. Niiyama , S. Nishida , S. Ogawa , Y. Onishchuk , H. Ono , Y. Onuki , F. Otani , E. R. Oxford , P. Pakhlov , G. Pakhlova , E. Paoloni , S. Pardi , K. Parham , H. Park , J. Park , K. Park , S.-H. Park , B. Paschen , A. Passeri , S. Patra , S. Paul , T. K. Pedlar , I. Peruzzi , R. Peschke , R. Pestotnik , M. Piccolo , L. E. Piilonen , G. Pinna Angioni , P. L. M. Podesta-Lerma , T. Podobnik , S. Pokharel , A. Prakash , C. Praz , S. Prell , E. Prencipe , M. T. Prim , S. Privalov , I. Prudiiev , H. Purwar , P. Rados , G. Raeuber , S. Raiz , N. Rauls , K. Ravindran , J. U. Rehman , M. Reif , S. Reiter , M. Remnev , L. Reuter , D. Ricalde Herrmann , I. Ripp-Baudot , G. Rizzo , S. H. Robertson , M. Roehrken , J. M. Roney , A. Rostomyan , N. Rout , L. Salutari , D. A. Sanders , S. Sandilya , L. Santelj , Y. Sato , V. Savinov , B. Scavino , C. Schmitt , J. Schmitz , S. Schneider , G. Schnell , M. Schnepf , C. Schwanda , A. J. Schwartz , Y. Seino , A. Selce , K. Senyo , J. Serrano , M. E. Sevior , C. Sfienti , W. Shan , C. Sharma , G. Sharma , C. P. Shen , X. D. Shi , T. Shillington , T. Shimasaki , J.-G. Shiu , D. Shtol , B. Shwartz , A. Sibidanov , F. Simon , J. B. Singh , J. Skorupa , M. Sobotzik , A. Soffer , A. Sokolov , E. Solovieva , W. Song , S. Spataro , B. Spruck , M. Starič , P. Stavroulakis , S. Stefkova , R. Stroili , J. Strube , Y. Sue , M. Sumihama , K. Sumisawa , W. Sutcliffe , N. Suwonjandee , H. Svidras , M. Takahashi , M. Takizawa , U. Tamponi , K. Tanida , N. Taniguchi , F. Tenchini , A. Thaller , O. Tittel , R. Tiwary , E. Torassa , K. Trabelsi , F. F. Trantou , I. Tsaklidis , M. Uchida , I. Ueda , T. Uglov , K. Unger , Y. Unno , K. Uno , S. Uno , P. Urquijo , Y. Ushiroda , S. E. Vahsen , R. van Tonder , M. Veronesi , A. Vinokurova , V. S. Vismaya , L. Vitale , V. Vobbilisetti , R. Volpe , A. Vossen , B. Wach , M. Wakai , S. Wallner , E. Wang , M.-Z. Wang , X. L. Wang , Z. Wang , A. Warburton , M. Watanabe , S. Watanuki , C. Wessel , E. Won , X. P. Xu , B. D. Yabsley , S. Yamada , W. Yan , W. C. Yan , S. B. Yang , J. Yelton , K. Yi , J. H. Yin , K. Yoshihara , J. Yuan , L. Zani , F. Zeng , M. Zeyrek , B. Zhang , V. Zhilich , J. S. Zhou , Q. D. Zhou , L. Zhu , V. I. Zhukova , and R. Žlebčík (Belle and Belle II Collaborations)

PDF

Phys. Rev. D 112, L071101 – Published 30 October, 2025

DOI: https://doi.org/10.1103/mkx8-cl23

Abstract

We present a study of the rare charm meson decays $D^{0} \to K^{+} K^{-} e^{+} e^{-}$ , $π^{+} π^{-} e^{+} e^{-}$ , and $K^{-} π^{+} e^{+} e^{-}$ using a $942 {fb}^{- 1}$ dataset collected by the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy $e^{+} e^{-}$ collider. We identify $D^{0}$ candidates via the charge of the pion from $D^{* +} \to D^{0} π^{+}$ decays and normalize the branching fractions to $D^{0} \to K^{-} π^{+} π^{-} π^{+}$ decays. The branching fraction for decay $D^{0} \to K^{-} π^{+} e^{+} e^{-}$ is measured to be $(39.6 \pm 4.5 (stat) \pm 2.9 (syst)) \times 10^{- 7}$ , with the dielectron mass in the $ρ / ω$ mass region $675 < m_{e e} < 875 MeV / c^{2}$ . We also search for $D^{0} \to h^{-} h^{(') +} e^{+} e^{-}$ ( $h^{(')} = K$ , $π$ ) decays with the dielectron mass near the $η$ and $ϕ$ resonances, and away from these resonances for the $K^{+} K^{-} e^{+} e^{-}$ and $π^{+} π^{-} e^{+} e^{-}$ modes. For these modes, we find no significant signals and set 90% confidence level upper limits on their branching fractions at the $O (10^{- 7})$ level.

Physics Subject Headings (PhySH)

Article Text

Supplemental Material

References (39)

The inclusion of the charge-conjugate decay mode is implemented throughout the letter unless otherwise stated.
S. de Boer and G. Hiller, Phys. Rev. D 98, 035041 (2018).
A. Paul, I. I. Bigi, and S. Recksiegel, Phys. Rev. D 83, 114006 (2011).
S. Fajfer, N. Košnik, and S. Prelovšek, Phys. Rev. D 76, 074010 (2007).
L. Cappiello, O. Catà, and G. D’Ambrosio, J. High Energy Phys. 04 (2013) 135.
R. Bause, M. Golz, G. Hiller, and A. Tayduganov, Eur. Phys. J. C 80, 65 (2020).
G. Burdman, E. Golowich, J. Hewett, and S. Pakvasa, Phys. Rev. D 66, 014009 (2002).
S. Fajfer, A. Prapotnik, S. Prelovšek, P. Singer, and J. Zupan, Nucl. Phys. B, Proc. Suppl. 115, 93 (2003).
S. Fajfer, E. Solomonidi, and L. Vale Silva, Phys. Rev. D 109, 036027 (2024).
R. Bause, M. Golz, G. Hiller, and A. Tayduganov, Eur. Phys. J. C 80, 65 (2020).
S. de Boer and G. Hiller, Phys. Rev. D 93, 074001 (2016).
J. P. Lees et al. (BABAR Collaboration), Phys. Rev. D 84, 072006 (2011).
J. P. Lees et al. (BABAR Collaboration), Phys. Rev. Lett. 122, 081802 (2019).
J. P. Lees et al. (BABAR Collaboration), Phys. Rev. Lett. 124, 071802 (2020).
J. P. Lees et al. (BABAR Collaboration), Phys. Rev. D 101, 112003 (2020).
M. Ablikim et al. (BESIII Collaboration), Phys. Rev. D 97, 072015 (2018).
A. Freyberger et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 76, 3065 (1996); 77, 2147(E) (1996).
V. M. Abazov et al. (D0 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 100, 101801 (2008).
K. Kodama et al. (E653 Collaboration), Phys. Lett. B 345, 85 (1995).
E. M. Aitala et al. (E791 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 86, 3969 (2001).
R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Phys. Lett. B 757, 558 (2016).
R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Phys. Rev. Lett. 119, 181805 (2017).
R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Phys. Rev. D 97, 091101 (2018).
R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), J. High Energy Phys. 06(2021) 044.
R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Phys. Rev. D 111, L091101 (2025).
A. Abashian et al. (Belle Collaboration), Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 499, 191 (2003), also see Section II in J. Brodzicka et al., Prog. Theor. Exp. Phys. 2012, 04D001 (2012).
S. Kurokawa and E. Kikutani, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 499, 1 (2003).
D. J. Lange, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 462, 152 (2001).
T. Sjöstrand, L. Lönnblad, S. Mrenna, and P. Skands, arXiv:hep-ph/0308153.
P. Golonka and Z. Was, Eur. Phys. J. C 45, 97 (2006).
R. Brun et al., CERN Report No. DD/EE/84-1, 1987.
M. Gelb et al., Comput. Software Big Sci. 2, 9 (2018).
T. Kuhr, C. Pulvermacher, M. Ritter, T. Hauth, and N. Braun (Belle-II Framework Software Group), Comput. Software Big Sci. 3, 1 (2019).
R. L. Workman et al. (Particle Data Group), Peog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022).
The normalization mode signal PDF is a sum of the signal PDF used for the signal channels and a Gaussian with a shared mean for the $D^{0}$ mass.
A. L. Read, J. Phys. G 28, 2693 (2002).
See Supplemental Material at http://link.aps.org/supplemental/10.1103/mkx8-cl23 for Distribution of $D^{0} \to h^{-} h^{(') +} e^{+} e^{-}$ as a function of $m_{e e}^{2}$ .
M. Pivk and F. Le Diberder, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect A 555, 356 (2005).
T. Skwarnicki, DESY-F31-86-02, 1986, http://www-library.desy.de/preparch/desy/int_rep/f31-86-02.pdf.

Phys. Rev. D 112, L071101– Published 30 October, 2025

Vol. 112, Iss. 7 — 1 October 2025

Received 12 July 2025
Accepted 26 September 2025

DOI: https://doi.org/10.1103/mkx8-cl23

Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI. Funded by SCOAP³.

Published by the American Physical Society

Physical Review D

Reuse & Permissions

Export citation

Export citation

Measurement of the $D^{0} \to K^{-} π^{+} e^{+} e^{-}$ branching fraction and search for $D^{0} \to π^{+} π^{-} e^{+} e^{-}$ and $D^{0} \to K^{+} K^{-} e^{+} e^{-}$ decays at Belle

Abstract

Physics Subject Headings (PhySH)

Article Text

Supplemental Material

References (39)

Outline

Information

Filter

Filter

Article Lookup

Enter a citation

Measurement of the D0→K−π+e+e− branching fraction and search for D0→π+π−e+e− and D0→K+K−e+e− decays at Belle

Abstract

Physics Subject Headings (PhySH)

Article Text

Supplemental Material

References (39)

Measurement of the $D^{0} \to K^{-} π^{+} e^{+} e^{-}$ branching fraction and search for $D^{0} \to π^{+} π^{-} e^{+} e^{-}$ and $D^{0} \to K^{+} K^{-} e^{+} e^{-}$ decays at Belle