Die Schönheit der SU(3)-Symmetrie erklärt jedoch nicht, warum sie gilt. Gell-Mann und ein anderer amerikanischer Physiker, George Zweig, entschieden 1964 unabhängig voneinander, dass die Antwort auf diese Frage in der fundamentalen Natur der Hadronen liegt. Die einfachste Untergruppe von SU(3) enthält nur drei Objekte, aus denen sich die Oktette und Dekupletts bilden lassen. Die beiden Theoretiker stellten die kühne Vermutung auf, dass die damals beobachteten Hadronen keine einfachen Strukturen sind, sondern aus drei Grundteilchen aufgebaut sind. Gell-Mann nannte diese Teilchen Quarks – ein Name, der auch heute noch gebräuchlich ist.
Als Gell-Mann und Zweig ihre Ideen vorstellten, war die Liste der bekannten subatomaren Teilchen von den drei von 1932 – Elektron, Proton und Neutron – auf die meisten stabilen Hadronen und eine wachsende Zahl kurzlebiger Resonanzen sowie das Myon und zwei Arten von Neutrinos angewachsen. Es war in der Tat bemerkenswert, dass die scheinbar immer größer werdende Zahl von Hadronen mit Hilfe von nur drei Grundbausteinen verstanden werden konnte. Damit dies möglich war, mussten diese Bausteine – die Quarks – jedoch einige ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen.
Diese Eigenschaften waren so merkwürdig, dass einige Jahre lang nicht klar war, ob Quarks tatsächlich existierten oder nur eine nützliche mathematische Fiktion waren. Quarks müssen zum Beispiel Ladungen von +2/3e oder -1/3e haben, die in bestimmten Detektoren sehr leicht zu erkennen sein sollten; aber intensive Untersuchungen, sowohl in der kosmischen Strahlung als auch mit Teilchenbeschleunigern, haben nie überzeugende Beweise für eine solche Teilladung ergeben. Mitte der 1970er Jahre jedoch, zehn Jahre nach dem ersten Vorschlag für Quarks, hatten Wissenschaftler eine Reihe von Beweisen zusammengetragen, die zeigten, dass Quarks tatsächlich existieren, aber in den einzelnen Hadronen so eingeschlossen sind, dass sie niemals als einzelne Einheiten entkommen können.
Diese Beweise ergaben sich aus Experimenten, bei denen Strahlen von Elektronen, Myonen oder Neutrinos auf die Protonen und Neutronen in solchen Zielmaterialien wie Wasserstoff (nur Protonen), Deuterium, Kohlenstoff und Aluminium geschossen wurden. Bei den einfallenden Teilchen handelte es sich durchweg um Leptonen, also Teilchen, die keine starke Bindungskraft spüren und von denen schon damals bekannt war, dass sie viel kleiner sind als die Kerne, die sie untersuchen sollten. Die Streuung der Strahlteilchen, die durch Wechselwirkungen innerhalb des Targets verursacht wurde, zeigte deutlich, dass Protonen und Neutronen komplexe Strukturen sind, die strukturlose, punktförmige Objekte enthalten, die Partonen genannt wurden, weil sie Teile der größeren Teilchen sind. Die Experimente zeigten auch, dass die Partonen tatsächlich Teilladungen von +2/3e oder -1/3e haben können, und bestätigten damit eine der überraschenderen Vorhersagen des Quarkmodells.
Gell-Mann und Zweig benötigten nur drei Quarks, um die 1964 bekannten Teilchen aufzubauen. Diese Quarks sind als up (u), down (d) und strange (s) bekannt. Seitdem haben Experimente eine Reihe von schweren Hadronen – sowohl Mesonen als auch Baryonen – entdeckt, die zeigen, dass es mehr als drei Quarks gibt. In der Tat ist die SU(3)-Symmetrie Teil einer größeren mathematischen Symmetrie, die Quarks verschiedener „Geschmacksrichtungen“ einschließt – der Begriff, der zur Unterscheidung der verschiedenen Quarks verwendet wird. Zusätzlich zu den up-, down- und strange-Quarks gibt es Quarks, die als charm (c), bottom (oder beauty, b) und top (oder truth, t) bezeichnet werden. Diese Quark-Geschmacksrichtungen bleiben bei Reaktionen, die durch die starke Kraft ausgelöst werden, alle erhalten, d. h. Charme muss in Verbindung mit Anticharm entstehen, Bottom mit Antibottom usw. Dies bedeutet, dass die Quarks nur durch die schwache Kraft, die für den Zerfall von Teilchen verantwortlich ist, von einem Flavour zum anderen wechseln können.
Die Up- und Down-Quarks unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre unterschiedlichen elektrischen Ladungen, während die schwereren Quarks jeweils eine eindeutige Quantenzahl tragen, die mit ihrem Flavour zusammenhängt. Das strange Quark hat Strangeness, S = -1, das charm Quark hat Charme, C = +1, und so weiter. Drei strange Quarks zusammen ergeben also ein Teilchen mit einer elektrischen Ladung von -e und einer Strangeness von -3, genau wie es für das Omega-minus (Ω-) Teilchen erforderlich ist; und das neutrale strange Teilchen, das so genannte Lambda (Λ)-Teilchen, enthält uds, was die richtige Gesamtladung von 0 und eine Strangeness von -1 ergibt. Mit diesem System kann das Lambda als ein Neutron betrachtet werden, bei dem ein Down-Quark in ein Strange-Quark umgewandelt wurde; Ladung und Spin bleiben gleich, aber das Strange-Quark macht das Lambda schwerer als das Neutron. Das Quark-Modell zeigt also, dass die Natur bei der Erzeugung von Teilchen nicht willkürlich vorgeht, sondern sich in gewisser Weise auf einer massiveren Ebene wiederholt.