La bellezza della simmetria SU(3) non spiega però perché sia vera. Gell-Mann e un altro fisico americano, George Zweig, decisero indipendentemente nel 1964 che la risposta a questa domanda sta nella natura fondamentale degli adroni. Il sottogruppo più elementare di SU(3) contiene solo tre oggetti, dai quali si possono costruire gli ottetti e i decupli. I due teorici fecero l’audace suggerimento che gli adroni osservati all’epoca non erano strutture semplici, ma erano invece costruiti da tre particelle fondamentali. Gell-Mann chiamò queste particelle “quark”, nome che rimane in uso ancora oggi.
Quando Gell-Mann e Zweig presentarono le loro idee, la lista delle particelle subatomiche conosciute era cresciuta dalle tre del 1932 – elettrone, protone e neutrone – per includere la maggior parte degli adroni stabili e un numero crescente di risonanze a vita breve, così come il muone e due tipi di neutrino. Il fatto che il numero apparentemente sempre crescente di adroni potesse essere compreso in termini di soli tre elementi di base era davvero notevole. Perché ciò fosse possibile, tuttavia, questi elementi costitutivi – i quark – dovevano avere alcune proprietà insolite.
Queste proprietà erano così strane che per un certo numero di anni non era chiaro se i quark esistessero davvero o fossero semplicemente un’utile finzione matematica. Per esempio, i quark devono avere cariche di +2/3e o -1/3e, che dovrebbero essere molto facili da individuare in certi tipi di rivelatori; ma ricerche intensive, sia nei raggi cosmici che usando acceleratori di particelle, non hanno mai rivelato alcuna prova convincente per cariche frazionarie di questo tipo. A metà degli anni ’70, tuttavia, 10 anni dopo che i quark erano stati proposti per la prima volta, gli scienziati avevano raccolto una massa di prove che dimostravano che i quark esistono, ma sono bloccati all’interno dei singoli adroni in modo tale da non poter mai uscire come entità singole.
Questa prova è risultata da esperimenti in cui fasci di elettroni, muoni o neutrini venivano sparati contro i protoni e i neutroni in materiali bersaglio come l’idrogeno (solo protoni), il deuterio, il carbonio e l’alluminio. Le particelle incidenti utilizzate erano tutti leptoni, particelle che non sentono la forza di legame forte e che erano note, anche allora, per essere molto più piccole dei nuclei che stavano sondando. La dispersione delle particelle del fascio causata dalle interazioni all’interno del bersaglio dimostrò chiaramente che protoni e neutroni sono strutture complesse che contengono oggetti puntiformi senza struttura, che furono chiamati partoni perché sono parti delle particelle più grandi. Gli esperimenti dimostrarono anche che i partoni possono effettivamente avere cariche frazionarie di +2/3e o -1/3e e confermarono così una delle previsioni più sorprendenti del modello a quark.
Gell-Mann e Zweig avevano bisogno solo di tre quark per costruire le particelle note nel 1964. Questi quark sono quelli conosciuti come up (u), down (d) e strange (s). Da allora, gli esperimenti hanno rivelato una serie di adroni pesanti – sia mesoni che barioni – che mostrano che ci sono più di tre quark. Infatti, la simmetria SU(3) è parte di una simmetria matematica più grande che incorpora quark di diversi “sapori” – il termine usato per distinguere i diversi quark. Oltre ai quark up, down e strange, ci sono quark conosciuti come charm (c), bottom (o beauty, b) e top (o truth, t). Questi sapori di quark sono tutti conservati durante le reazioni che avvengono attraverso la forza forte; in altre parole, il fascino deve essere creato in associazione con l’anti-carico, il fondo con l’anti-fondo, e così via. Questo implica che i quark possono cambiare da un sapore all’altro solo attraverso la forza debole, che è responsabile del decadimento delle particelle.
I quark up e down si distinguono principalmente per le loro diverse cariche elettriche, mentre i quark più pesanti portano ciascuno un numero quantico unico legato al loro sapore. Il quark strano ha stranezza, S = -1, il quark fascino ha fascino, C = +1, e così via. Così, tre quark strani insieme danno una particella con una carica elettrica di -e e una stranezza di -3, proprio come è richiesto per la particella omega-minus (Ω-); e la particella strana neutra conosciuta come la particella lambda (Λ) contiene uds, che dà la carica totale corretta di 0 e una stranezza di -1. Usando questo sistema, il lambda può essere visto come un neutrone con un quark down cambiato in un quark strano; la carica e lo spin rimangono gli stessi, ma il quark strano rende il lambda più pesante del neutrone. Così, il modello a quark rivela che la natura non è arbitraria quando produce particelle, ma in un certo senso si sta ripetendo su una scala più massiccia.