La belleza de la simetría SU(3) no explica, sin embargo, por qué es cierta. Gell-Mann y otro físico estadounidense, George Zweig, decidieron de forma independiente en 1964 que la respuesta a esa pregunta se encuentra en la naturaleza fundamental de los hadrones. El subgrupo más básico de SU(3) contiene sólo tres objetos, a partir de los cuales se pueden construir los octetos y decupletas. Los dos teóricos hicieron la audaz sugerencia de que los hadrones observados en ese momento no eran estructuras simples, sino que estaban construidos a partir de tres partículas básicas. Gell-Mann llamó a estas partículas quarks, nombre que sigue utilizándose hoy en día.
Para cuando Gell-Mann y Zweig expusieron sus ideas, la lista de partículas subatómicas conocidas había crecido desde las tres de 1932 -el electrón, el protón y el neutrón- hasta incluir la mayoría de los hadrones estables y un número creciente de resonancias de vida corta, así como el muón y dos tipos de neutrino. El hecho de que el número aparentemente creciente de hadrones pudiera entenderse en términos de sólo tres bloques de construcción básicos era realmente notable. Sin embargo, para que esto fuera posible, esos bloques de construcción -los quarks- debían tener algunas propiedades inusuales.
Estas propiedades eran tan extrañas que durante varios años no estaba claro si los quarks existían realmente o eran simplemente una ficción matemática útil. Por ejemplo, los quarks deben tener cargas de +2/3e o -1/3e, que deberían ser muy fáciles de detectar en ciertos tipos de detectores; pero las búsquedas intensivas, tanto en rayos cósmicos como utilizando aceleradores de partículas, nunca han revelado ninguna evidencia convincente de una carga fraccionaria de este tipo. Sin embargo, a mediados de la década de 1970, 10 años después de que se propusieran por primera vez los quarks, los científicos habían recopilado una gran cantidad de pruebas que demostraban que los quarks existen, pero que están encerrados dentro de los hadrones individuales de tal manera que nunca pueden escapar como entidades individuales.
Estas pruebas se obtuvieron a partir de experimentos en los que se dispararon haces de electrones, muones o neutrinos a los protones y neutrones de materiales objetivo como el hidrógeno (sólo protones), el deuterio, el carbono y el aluminio. Las partículas incidentes utilizadas eran todas leptones, partículas que no sienten la fuerza de enlace fuerte y que se sabía, incluso entonces, que eran mucho más pequeñas que los núcleos que estaban sondeando. La dispersión de las partículas del haz causada por las interacciones dentro del blanco demostró claramente que los protones y los neutrones son estructuras complejas que contienen objetos puntuales sin estructura, que recibieron el nombre de partons porque son partes de las partículas más grandes. Los experimentos también demostraron que los partons pueden tener efectivamente cargas fraccionarias de +2/3e o -1/3e y confirmaron así una de las predicciones más sorprendentes del modelo de los quarks.
Gell-Mann y Zweig sólo necesitaron tres quarks para construir las partículas conocidas en 1964. Estos quarks son los conocidos como up (u), down (d) y strange (s). Desde entonces, los experimentos han revelado una serie de hadrones pesados -tanto mesones como bariones- que demuestran que hay más de tres quarks. De hecho, la simetría SU(3) forma parte de una simetría matemática mayor que incorpora quarks de varios «sabores», término utilizado para distinguir los distintos quarks. Además de los quarks up, down y strange, hay quarks conocidos como charm (c), bottom (o belleza, b) y top (o verdad, t). Todos estos sabores de quarks se conservan durante las reacciones que se producen a través de la fuerza fuerte; en otras palabras, el charm debe crearse en asociación con el anticharm, el bottom con el antibottom, y así sucesivamente. Esto implica que los quarks pueden cambiar de un sabor a otro sólo por medio de la fuerza débil, que es responsable de la desintegración de las partículas.
Los quarks up y down se distinguen principalmente por sus diferentes cargas eléctricas, mientras que los quarks más pesados llevan cada uno un número cuántico único relacionado con su sabor. El quark extraño tiene extrañeza, S = -1, el quark encanto tiene encanto, C = +1, y así sucesivamente. Así, tres quarks extraños juntos dan una partícula con una carga eléctrica de -e y una extrañeza de -3, tal y como se requiere para la partícula omega-menos (Ω-); y la partícula extraña neutra conocida como partícula lambda (Λ) contiene uds, que da la carga total correcta de 0 y una extrañeza de -1. Usando este sistema, la lambda puede ser vista como un neutrón con un quark down cambiado por un quark extraño; la carga y el espín siguen siendo los mismos, pero el quark extraño hace que la lambda sea más pesada que el neutrón. Así, el modelo de los quarks revela que la naturaleza no es arbitraria cuando produce partículas, sino que en cierto sentido se repite a sí misma a una escala más masiva.