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20世纪40年代晚期及50年代早期，更多的粒子被发现。其中一些粒子虽然与核子同属于重子家族，却具有出人意料的新特性。此外还有一些寿命极短的不稳定粒子被发现，它们的寿命仅有10 -23 秒左右，比当时已知的任何粒子的寿命都短得多。
将这些非常不稳定的粒子与原子及原子核进行对比，有助于我们理解它们的特性。原子或原子核可能达到的能量最低的状态被称为基态（ground state），它们也能够通过吸收外界能量被激发至名为共振态（resonance state）的不稳定态，这种状态与小提琴琴弦的振动颇为相似。当原子平静下来回到基态时，此前吸收的能量以可见光等电磁辐射的形式释放出来。对小提琴而言，相应的能量表现为声音的形式。在实验中，那些被观察到的极短暂的状态正是核子与其他粒子的激发态。
这些新粒子的存在需要新理论来解释，仅仅是为了理解它们复杂的产生和衰变规律，人们就用了10年。而在1961年，理论物理学家发现这些粒子的基态和共振态全都可以被理解成是由一团更小的粒子所组成的，这些更小的粒子被美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）命名为夸克（quark）。强相互作用将这些夸克结合在一起，它的强度通常是电磁相互作用的40倍，也是目前我们知道的最后一种基本相互作用。
夸克在当时被当作构建数学模型的一种便利手段，只有少数物理学家相信它们是真实存在的粒子。一个原因是，包括核子在内，人们观测到的粒子的电荷量均为电子所带电荷的整数倍，而电子所带电荷长期以来被认为是电荷量的基本单位。另一个原因是，如果核子和其他粒子是由夸克组成的，依据夸克模型，夸克所带电荷量就不能是电子所带电荷的整数倍：其预测值分别为电子电荷量的1/3和-2/3。此外，那时人们还从未发现过电荷量不是整数的粒子。
这些疑虑直到20世纪60年代后期才被打消，当时的研究者进行了一系列与卢瑟福所做过的实验相似的研究，以探索核子的内部结构。这些实验证实了质子的确由三个性质与假想中的夸克相一致的组分构成。实验还确定了即使夸克具有尺度，也最多只有核子大小的千分之一，不大于10 -18 米。回到字母“i”上的小点，它至少需要被放大到直径1 000万千米，我们才有可能用眼睛看到强子（hadron）中单独的夸克。不过，迄今为止所有从核子或其他粒子中释放单个夸克的尝试都失败了。这和原子物理学与核物理学中的情况都不同。在原子物理学中，电子可以从原子中被轻易除去，而在核物理学中，原子核可以被分开以得到组成它的质子和中子。
想要理解核子的结构，只需要两种不同类型的夸克：以“u”表示的上夸克和以“d”表示的下夸克。下夸克比上夸克略重。β衰变如今被理解为这些结合在原子核中的夸克彼此间的转换。后续实验中产生了一些需要用第三种夸克来解释的新的不稳定粒子，随后理论又推测存在另外3种不稳定的夸克。在那之后，6种夸克的存在全部在实验中被证实了。像μ子和τ子一样，除上夸克、下夸克之外的4种夸克似乎对日常生活并没有影响。据推测，它们是在大爆炸中产生的，之后通过弱相互作用迅速衰变，不再像电子和上夸克、下夸克那样存在于自然界中。夸克如今在解释粒子物理学现象时扮演着重要的角色。