De schoonheid van de SU(3) symmetrie verklaart echter niet waarom zij waar is. Gell-Mann en een andere Amerikaanse natuurkundige, George Zweig, besloten in 1964 onafhankelijk van elkaar dat het antwoord op die vraag ligt in de fundamentele aard van de hadronen. De meest basale ondergroep van SU(3) bevat slechts drie objecten, waaruit de octetten en decupletten kunnen worden opgebouwd. De twee theoretici deden de gewaagde suggestie dat de toen waargenomen hadronen geen eenvoudige structuren waren, maar in plaats daarvan waren opgebouwd uit drie basisdeeltjes. Gell-Mann noemde deze deeltjes quarks – een naam die vandaag de dag nog steeds in gebruik is.
Op het moment dat Gell-Mann en Zweig hun ideeën naar voren brachten, was de lijst van bekende subatomaire deeltjes gegroeid van de drie van 1932 – elektron, proton en neutron – tot de meeste stabiele hadronen en een groeiend aantal kortlevende resonanties, alsmede het muon en twee soorten neutrino. Dat het schijnbaar steeds toenemende aantal hadronen kon worden begrepen in termen van slechts drie basisbouwstenen was inderdaad opmerkelijk. Maar om dit mogelijk te maken, moesten deze bouwstenen – de quarks – een aantal ongebruikelijke eigenschappen bezitten.
Deze eigenschappen waren zo vreemd dat het een aantal jaren niet duidelijk was of quarks werkelijk bestonden of slechts een nuttige wiskundige fictie waren. Bijvoorbeeld, quarks moeten ladingen hebben van +2/3e of -1/3e, die zeer gemakkelijk te zien zouden moeten zijn in bepaalde soorten detectoren; maar intensieve zoektochten, zowel in kosmische straling als met behulp van deeltjesversnellers, hebben nooit enig overtuigend bewijs voor een fractionele lading van dit soort opgeleverd. Tegen het midden van de zeventiger jaren, echter, 10 jaar nadat quarks voor het eerst werden voorgesteld, hadden wetenschappers een massa bewijsmateriaal verzameld dat aantoonde dat quarks wel bestaan maar opgesloten zitten in de individuele hadronen op zo’n manier dat zij nooit kunnen ontsnappen als afzonderlijke entiteiten.
Dit bewijsmateriaal kwam voort uit experimenten waarin bundels van elektronen, muonen, of neutrino’s werden afgevuurd op de protonen en neutronen in zulke doelmaterialen als waterstof (alleen protonen), deuterium, koolstof, en aluminium. De gebruikte invallende deeltjes waren allemaal leptonen, deeltjes die de sterke bindende kracht niet voelen en waarvan men toen al wist dat zij veel kleiner waren dan de kernen die zij onderzochten. De verstrooiing van de bundeldeeltjes door interacties binnen het doelwit toonde duidelijk aan dat protonen en neutronen complexe structuren zijn die structuurloze, puntachtige objecten bevatten, die partonen werden genoemd omdat zij delen van de grotere deeltjes zijn. De experimenten toonden ook aan dat de partonen inderdaad fractionele ladingen van +2/3e of -1/3e kunnen hebben en bevestigden daarmee een van de meer verrassende voorspellingen van het quarkmodel.
Gell-Mann en Zweig hadden slechts drie quarks nodig om de in 1964 bekende deeltjes te bouwen. Deze quarks zijn bekend als up (u), down (d), en strange (s). Sindsdien hebben experimenten een aantal zware hadronen aan het licht gebracht – zowel mesonen als baryonen – die aantonen dat er meer dan drie quarks zijn. De SU(3)-symmetrie is namelijk onderdeel van een grotere wiskundige symmetrie die quarks van verschillende “smaken” omvat – de term die wordt gebruikt om de verschillende quarks van elkaar te onderscheiden. Naast de up-, down- en strange-quarks zijn er quarks die bekend staan als charm (c), bottom (of schoonheid, b), en top (of waarheid, t). Deze quarksmaken worden allemaal behouden tijdens reacties die door de sterke kracht worden veroorzaakt; met andere woorden, charme moet worden gecreëerd in combinatie met anticharm, bodem met antibodem, enzovoort. Dit impliceert dat de quarks alleen van smaak kunnen veranderen door middel van de zwakke kracht, die verantwoordelijk is voor het verval van deeltjes.
De up- en down-quarks onderscheiden zich voornamelijk door hun verschillende elektrische ladingen, terwijl de zwaardere quarks elk een uniek quantumgetal dragen dat gerelateerd is aan hun smaak. De strange quark heeft vreemdheid, S = -1, de charm quark heeft charme, C = +1, enzovoort. Drie vreemde quarks samen geven dus een deeltje met een elektrische lading van -e en een vreemdheid van -3, precies zoals vereist is voor het omega-minus (Ω-)-deeltje; en het neutrale vreemde deeltje, bekend als het lambda (Λ)-deeltje bevat uds, wat de juiste totale lading van 0 en een vreemdheid van -1 oplevert. Met behulp van dit systeem kan de lambda worden gezien als een neutron met één down quark veranderd in een strange quark; lading en spin blijven hetzelfde, maar de strange quark maakt de lambda zwaarder dan het neutron. Het quarkmodel onthult dus dat de natuur niet willekeurig is wanneer zij deeltjes produceert, maar in zekere zin zichzelf herhaalt op een grotere schaal.