La beauté de la symétrie SU(3) n’explique cependant pas pourquoi elle est vraie. Gell-Mann et un autre physicien américain, George Zweig, ont décidé indépendamment en 1964 que la réponse à cette question réside dans la nature fondamentale des hadrons. Le sous-groupe le plus fondamental de SU(3) ne contient que trois objets, à partir desquels les octuplets et les décuplets peuvent être construits. Les deux théoriciens ont suggéré avec audace que les hadrons observés à l’époque n’étaient pas des structures simples, mais qu’ils étaient plutôt construits à partir de trois particules de base. Gell-Mann a appelé ces particules des quarks – nom qui reste utilisé aujourd’hui.
Au moment où Gell-Mann et Zweig ont avancé leurs idées, la liste des particules subatomiques connues s’était allongée, passant des trois de 1932 – électron, proton et neutron – pour inclure la plupart des hadrons stables et un nombre croissant de résonances de courte durée, ainsi que le muon et deux types de neutrino. Le fait que le nombre apparemment sans cesse croissant d’hadrons puisse être compris à partir de seulement trois éléments de base était en effet remarquable. Pour que cela soit possible, cependant, ces blocs de construction – les quarks – devaient avoir certaines propriétés inhabituelles.
Ces propriétés étaient si étranges que pendant un certain nombre d’années, on ne savait pas si les quarks existaient réellement ou s’ils étaient simplement une fiction mathématique utile. Par exemple, les quarks doivent avoir des charges de +2/3e ou -1/3e, ce qui devrait être très facile à repérer dans certains types de détecteurs ; mais des recherches intensives, à la fois dans les rayons cosmiques et à l’aide d’accélérateurs de particules, n’ont jamais révélé de preuves convaincantes d’une charge fractionnelle de ce type. Au milieu des années 1970, cependant, 10 ans après que les quarks aient été proposés pour la première fois, les scientifiques avaient compilé une masse de preuves qui montraient que les quarks existent bien, mais qu’ils sont enfermés dans les hadrons individuels de telle manière qu’ils ne peuvent jamais s’échapper en tant qu’entités individuelles.
Ces preuves résultaient d’expériences dans lesquelles des faisceaux d’électrons, de muons ou de neutrinos étaient tirés sur les protons et les neutrons de matériaux cibles tels que l’hydrogène (protons seulement), le deutérium, le carbone et l’aluminium. Les particules incidentes utilisées étaient toutes des leptons, des particules qui ne ressentent pas la force de liaison forte et dont on savait, déjà à l’époque, qu’elles étaient beaucoup plus petites que les noyaux qu’elles sondaient. La diffusion des particules du faisceau causée par les interactions au sein de la cible a clairement démontré que les protons et les neutrons sont des structures complexes qui contiennent des objets ponctuels sans structure, qui ont été appelés partons parce qu’ils sont des parties de particules plus grandes. Les expériences ont également montré que les partons peuvent effectivement avoir des charges fractionnaires de +2/3e ou -1/3e et ont ainsi confirmé l’une des prédictions les plus surprenantes du modèle des quarks.
Gell-Mann et Zweig n’ont eu besoin que de trois quarks pour construire les particules connues en 1964. Ces quarks sont ceux connus sous le nom de up (u), down (d), et strange (s). Depuis, les expériences ont révélé un certain nombre de hadrons lourds – mésons et baryons – qui montrent qu’il y a plus de trois quarks. En effet, la symétrie SU(3) fait partie d’une symétrie mathématique plus large qui incorpore des quarks de plusieurs « saveurs » – le terme utilisé pour distinguer les différents quarks. En plus des quarks up, down et étranges, il existe des quarks appelés charme (c), bottom (ou beauté, b) et top (ou vérité, t). Ces saveurs de quark sont toutes conservées lors des réactions qui se produisent par le biais de la force forte ; en d’autres termes, le charme doit être créé en association avec l’anticharme, le fond avec l’anti-fond, et ainsi de suite. Cela implique que les quarks ne peuvent passer d’une saveur à une autre que par le biais de la force faible, qui est responsable de la désintégration des particules.
Les quarks up et down se distinguent principalement par leurs charges électriques différentes, tandis que les quarks plus lourds portent chacun un nombre quantique unique lié à leur saveur. Le quark étrange a l’étrangeté, S = -1, le quark de charme a le charme, C = +1, et ainsi de suite. Ainsi, trois quarks étranges donnent une particule avec une charge électrique de -e et une étrangeté de -3, comme cela est requis pour la particule oméga-minus (Ω-) ; et la particule étrange neutre connue sous le nom de particule lambda (Λ) contient uds, ce qui donne la charge totale correcte de 0 et une étrangeté de -1. En utilisant ce système, le lambda peut être considéré comme un neutron dont un quark down a été changé en quark étrange ; la charge et le spin restent les mêmes, mais le quark étrange rend le lambda plus lourd que le neutron. Ainsi, le modèle du quark révèle que la nature n’est pas arbitraire lorsqu’elle produit des particules mais qu’elle se répète en quelque sorte à une échelle plus massive.