Skönheten i SU(3)-symmetrin förklarar dock inte varför den är sann. Gell-Mann och en annan amerikansk fysiker, George Zweig, beslutade oberoende av varandra 1964 att svaret på den frågan ligger i hadronernas grundläggande natur. Den mest grundläggande undergruppen till SU(3) innehåller endast tre objekt, från vilka oktetter och decupletter kan byggas upp. De två teoretikerna gjorde det djärva förslaget att de hadroner som observerades vid den tiden inte var enkla strukturer utan i stället var uppbyggda av tre grundläggande partiklar. Gell-Mann kallade dessa partiklar för kvarkar – ett namn som fortfarande används idag.
När Gell-Mann och Zweig lade fram sina idéer hade listan över kända subatomära partiklar vuxit från de tre från 1932 – elektron, proton och neutron – till att omfatta de flesta av de stabila hadronerna och ett växande antal kortlivade resonanser, samt muon och två typer av neutrino. Att det till synes ständigt ökande antalet hadroner kunde förstås med hjälp av endast tre grundläggande byggstenar var verkligen anmärkningsvärt. För att detta skulle vara möjligt måste dock dessa byggstenar – kvarkarna – ha några ovanliga egenskaper.
Dessa egenskaper var så ovanliga att det under ett antal år var oklart om kvarkar faktiskt existerade eller om de bara var en användbar matematisk fiktion. Quarks måste till exempel ha laddningar på +2/3e eller -1/3e, vilket borde vara mycket lätt att upptäcka i vissa typer av detektorer; men intensiva sökningar, både i kosmisk strålning och med hjälp av partikelacceleratorer, har aldrig gett några övertygande bevis för fraktionella laddningar av detta slag. I mitten av 1970-talet, tio år efter det att kvarkar först föreslogs, hade forskarna emellertid sammanställt en massa bevis som visade att kvarkar existerar, men att de är inlåsta i de enskilda hadronerna på ett sådant sätt att de aldrig kan komma ut som enskilda enheter.
Dessa bevis var ett resultat av experiment där elektron-, myon- eller neutrinostrålar avfyrades mot protoner och neutroner i sådana målmaterial som väte (endast protoner), deuterium, kol och aluminium. De infallspartiklar som användes var alla leptoner, partiklar som inte känner den starka bindningskraften och som man redan då visste var mycket mindre än de kärnor som de undersökte. Strålpartiklarnas spridning som orsakades av interaktioner inom målet visade tydligt att protoner och neutroner är komplexa strukturer som innehåller strukturlösa, punktliknande objekt, som kallades partoner eftersom de är delar av de större partiklarna. Experimenten visade också att partonerna faktiskt kan ha fraktionella laddningar på +2/3e eller -1/3e och bekräftade därmed en av de mer överraskande förutsägelserna i kvarkmodellen.
Gell-Mann och Zweig behövde bara tre kvarkar för att bygga de partiklar som var kända 1964. Dessa kvarkar är de som kallas up (u), down (d) och strange (s). Sedan dess har experiment avslöjat ett antal tunga hadroner – både mesoner och baryoner – som visar att det finns fler än tre kvarkar. SU(3)-symmetrin är faktiskt en del av en större matematisk symmetri som omfattar kvarkar av flera ”smaker” – den term som används för att särskilja de olika kvarkarna. Förutom up-, down- och strange-kvarkarna finns det kvarkar som kallas charm (c), bottom (eller skönhet, b) och top (eller sanning, t). Dessa kvarkvarianter är alla bevarade under reaktioner som sker genom den starka kraften; med andra ord måste charm skapas i samband med anticharm, bottom med antibottom och så vidare. Detta innebär att kvarkarna kan byta från en smak till en annan endast genom den svaga kraften, som är ansvarig för partiklarnas sönderfall.
Upp- och nedkvarkarna kännetecknas främst av sina olika elektriska laddningar, medan de tyngre kvarkarna var och en bär ett unikt kvantnummer som är relaterat till deras smak. Den konstiga kvarken har konstighet, S = -1, charmkvarken har charm, C = +1, och så vidare. Tre konstiga kvarkar ger alltså tillsammans en partikel med en elektrisk laddning på -e och en strangeness på -3, precis som krävs för omega-minuspartikeln (Ω-), och den neutrala konstiga partikeln som kallas lambdapartikeln (Λ) innehåller uds, vilket ger den korrekta totala laddningen på 0 och en strangeness på -1. Med hjälp av detta system kan lambda ses som en neutron med en down-kvark som ändrats till en strange-kvark; laddning och spinn förblir desamma, men strange-kvarken gör lambda tyngre än neutronen. Kvarkmodellen avslöjar alltså att naturen inte är godtycklig när den producerar partiklar utan i någon mening upprepar sig själv på en mer massiv skala.