Обычно их называют «элементарными» частицами, однако это название, очевидно, не отражает их сущности, если понимать «элементарные» как лишенные составных частей, т. е. своего рода «вещи в себе». То, что протон обладает внутренней структурой, можно установить несколькими способами. Возможно, наиболее прямой из них представляет собой аналог опыта Резерфорда по рассеянию быстрых ионов веществом, позволившего выявить внутреннюю (ядерную) структуру атома и совершенно недвусмысленно показавшего наличие внутри атомов маленьких твердых «сердцевин». Когда протоны сталкиваются друг с другом при очень высоких энергиях, у них обнаруживается тенденция к испусканию мезонов; именно это и следовало ожидать, так как протоны связываются друг с другом посредством испускания и поглощения мезонов. Допустим, протоны представляют собой просто какие-то «кусочки» материи, имеющие протяженность, но лишенные внутренней структуры. Тогда точно так же, как в опыте Резерфорда по рассеянию ионов на малые углы (происходящему с высокой вероятностью), мы можем наблюдать обильное испускание мезонов под малыми углами относительно прямой, вдоль которой происходит столкновение протонов. Такое испускание соответствует сравнительно слабому взаимному «подталкиванию» протонов, и, казалось бы, мы можем с уверенностью экстраполировать этот результат и на случай испускания мезонов на большие утлы рассеяния. Точнее говоря, мы хотели бы экстраполировать испускание мезонов при малой передаче поперечного импульса между сталкивающимися частицами на случай большой передачи поперечного импульса.
Если мы поступим так, то нас ждет такой же удар, какой в свое время пришлось испытать Резерфорду: при большой передаче поперечного импульса мезонов рождается на много порядков больше, чем можно было ожидать на основании экстраполяции результатов испускания мезонов при малой передаче поперечного импульса. Тогда с той же уверенностью, с какой мы судим о наличии в атоме крошечных твердых сердцевин, мы можем сказать, что подобные частицы существуют и внутри протонов, приводя к столь неожиданно обильному испусканию мезонов при большой передаче поперечного импульса. Предполагается, что не только протоны и нейтроны, но и все адроны обладают внутренней структурой и состоят из частиц, значительно меньших по размерам, чем сами адроны.
Наилучшие оценки размеров этих частиц получают при помощи бомбардировки протонов высокоэнергетическими нейтрино — точечными частицами, которые взаимодействуют только посредством слабой силы. Примем пока, что слабое взаимодействие между нейтрино и любой из частиц, составляющих адроны, имеет практически нулевой радиус. Тогда по причинам, которые находят свое объяснение в квантовой механике, вероятность того, что при столкновении с нейтрино протон испустит другую частицу (например, какого-либо вида лептон), прямо пропорциональна энергии нейтрино — при условии, что составляющие протон частицы можно рассматривать как точечные. Если же частицы, составляющие внутреннюю структуру протона (с которыми взаимодействует нейтрино), сами обладают конечными размерами, указанная прямая пропорциональность нарушается, значение энергии нейтрино, при котором происходит это нарушение, и есть мера, используемая для оценки размеров частиц, составляющих протон. До настоящего времени в экспериментах с нейтрино, энергии которых достигают 100 ГэВ, указанная пропорциональность наблюдается с достаточной степенью надежности. Поэтому можно утверждать, что, во-первых, протон состоит из частиц с размерами, не превышающими 10~15 см, во-вторых, любой (конечный) радиус действия слабой силы также не превышает этой величины.
Напомним, что теория предсказывает значение радиуса действия электрослабого взаимодействия около 10-16 см. Поскольку сам протон имеет в поперечнике около 10~13 см, то столь малые размеры составляющих протон частиц означают, что сам протон (а также и нейтрон), подобно атому, в основном пуст. Эти замечательные эксперименты с нейтрино описаны Дональдом Перкинсом. Они позволяют оценить и число маленьких частичек, составляющих протон: оно равно 3 (или около того).
