A beleza da simetria SU(3) não explica, entretanto, porque ela é verdadeira. Gell-Mann e outro físico americano, George Zweig, decidiram independentemente em 1964 que a resposta a essa pergunta reside na natureza fundamental dos hadrons. O subgrupo mais básico de SU(3) contém apenas três objetos, a partir dos quais os octetos e os decuplets podem ser construídos. Os dois teóricos fizeram a ousada sugestão de que os hadrões observados na época não eram estruturas simples, mas que eram construídos a partir de três partículas básicas. Gell-Mann chamou essas partículas de quarks – o nome que permanece em uso hoje.
Na época em que Gell-Mann e Zweig apresentaram suas idéias, a lista de partículas subatômicas conhecidas tinha crescido a partir dos três de 1932 – elétron, próton e nêutron – para incluir a maioria dos hadrões estáveis e um número crescente de ressonâncias de curta duração, bem como o múon e dois tipos de neutrino. Que o número aparentemente cada vez maior de hadrões podia ser entendido em termos de apenas três blocos básicos de construção era realmente notável. Para que isso fosse possível, porém, esses blocos de construção – os quarks – tinham algumas propriedades incomuns.
Essas propriedades eram tão estranhas que por alguns anos não ficou claro se os quarks realmente existiam ou se eram simplesmente uma ficção matemática útil. Por exemplo, os quarks devem ter cargas de +2/3e ou -1/3e, que devem ser muito fáceis de detectar em certos tipos de detectores; mas buscas intensivas, tanto em raios cósmicos como usando aceleradores de partículas, nunca revelaram qualquer evidência convincente para este tipo de carga fracionária. Em meados da década de 1970, entretanto, 10 anos após a primeira proposta de quarks, os cientistas compilaram uma massa de evidências que mostraram que os quarks existem, mas estão presos dentro dos hadrões individuais de tal forma que eles nunca podem escapar como entidades únicas.
Esta evidência resultou de experimentos nos quais feixes de elétrons, múons ou neutrinos foram disparados contra os prótons e nêutrons em materiais alvo como hidrogênio (somente prótons), deutério, carbono e alumínio. As partículas incidentes usadas foram todas leptões, partículas que não sentem a forte força de ligação e que se sabia, mesmo assim, serem muito menores do que os núcleos que estavam sondando. A dispersão das partículas do feixe causado pelas interações dentro do alvo demonstrou claramente que prótons e nêutrons são estruturas complexas que contêm objetos sem estrutura, semelhantes a objetos pontuais, que foram nomeados partons porque são partes das partículas maiores. As experiências também mostraram que os partons podem de fato ter cargas fracionárias de +2/3e ou -1/3e e assim confirmou uma das previsões mais surpreendentes do modelo quark.
Gell-Mann e Zweig exigiam apenas três quarks para construir as partículas conhecidas em 1964. Estes quarks são os conhecidos como up (u), down (d), e strange (s). Desde então, experimentos revelaram um número de hadrões pesados – tanto mésons quanto bariões – que mostram que existem mais de três quarks. De fato, a simetria SU(3) é parte de uma simetria matemática maior que incorpora quarks de vários “sabores” – o termo usado para distinguir os diferentes quarks. Além dos quarks para cima, para baixo e estranhos, existem os quarks conhecidos como charme (c), base (ou beleza, b) e topo (ou verdade, t). Esses quarks são todos conservados durante as reações que ocorrem através da força forte; em outras palavras, o charme deve ser criado em associação com o anticharm, fundo com o antibottom, e assim por diante. Isto implica que os quarks podem mudar de um sabor para outro apenas através da força fraca, responsável pela decomposição das partículas.
Os quarks para cima e para baixo distinguem-se principalmente pelas suas diferentes cargas eléctricas, enquanto os quarks mais pesados transportam cada um um número quântico único relacionado com o seu sabor. O quark estranho tem estranheza, S = -1, o quark de charme tem charme, C = +1, e assim por diante. Assim, três quarks estranhos juntos dão uma partícula com uma carga eléctrica de -e e uma estranheza de -3, tal como é necessário para a partícula ómega (Ω-); e a partícula estranha neutra conhecida como partícula lambda (Λ) contém uds, o que dá a carga total correcta de 0 e uma estranheza de -1. Usando este sistema, a lambda pode ser vista como um nêutron com um quark abaixo mudado para um quark estranho; a carga e a rotação permanecem as mesmas, mas o quark estranho torna a lambda mais pesada do que o nêutron. Assim, o modelo da quark revela que a natureza não é arbitrária quando produz partículas, mas está de certa forma se repetindo em uma escala mais massiva.