הקוורקים הם אבני הבניין של הפרוטון והניטרון ושאר החלקיקים התת-אטומיים המכונים הָדרוֹנִים. בשנות החמישים והששים של המאה ה-20 הלך מספר ההדרונים הידועים וגדל. היו בהם הדרונים בעלי ספין חצי-שלם (פרמיונים) שמכונים בַּריוֹנִים, והדרונים בעלי ספין שלם (בוזונים) שמכונים מֶזוֹנִים. את רובם ניתן היה לסדר בקבוצות בעלות תכונות דומות כך שהחלקיק הקל ביותר בכל קבוצה הוא בעל משך חיים ממוצע ארוך יחסית, והחלקיקים הכבדים יותר הם בעלי משכי חיים קצרים. בהדרונים הכבדים אפשר לראות “מצב מעורר” של אחד ההדרונים הקלים. הדבר היווה רמז לכך שלהדרונים יש מבנה פנימי, ולפיכך, שהם בנויים מחלקיקים יסודיים יותר. רמז נוסף לכך סיפקה תגלית של יובל נאמן מישראל ומוריי גל-מן (Gell-Mann) מארה”ב, שב-1961 גילו שיטה לסידור הבריונים והמזונים בתבניות סימטריות מסוימות, וניבאו את קיומו ותכונותיו של בַּריון חדש בשם אומגה-מינוס, לפני שהוא התגלה בניסוי.
בשנת 1964 פרסמו מוריי גל-מן וג’ורג’ צוויג (Zweig) תיאוריה, שלאחר מכן הפכה חלק מהמודל הסטנדרטי של החלקיקים היסודיים, ולפיה כל ההדרונים בנויים מצירופים שונים של חלקיקים שכונו קוורקים. אבני הבניין של הפרוטון והניטרון הם שני קוורקים שכונו: u וd-, ושתכונותיהם מתוארות בטבלה 1. (מקור האותיות u ו-d הוא במילים up ו-down). יצוין כי לכל אחד מהקוורקים יש אנטי-חלקיק בעל מטען חשמלי הפוך.
הפרוטון מורכב לפי התיאוריה משני קוורקיu ומקוורק d אחד (uud) כאשר שניים מהספינים הפוכים בכיוונם לספין שלישי. הניטרון בנוי משני d ומ-u אחד (udd) המסודרים באותו אופן. מכיוון שהמטען החשמלי של קוורק u הוא 2/3, ושל קוורק d הוא 1/3- (ביחידות של מטען הפרוטון) המטען הכולל של הפרוטון הוא 1+, והמטען של הניטרון הוא 0.
| הקוורק | מטען חשמלי | ספין |
| u | 2/3 | 1/2 |
| d | 1/3- | 1/2 |
מלבד הקוורקים u וd- יש עוד שני זוגות של קוורקים, שדומים להם בתכונותיהם אך הם בעלי מסות גדולות יותר. תכונותיהם של כל ששת הקוורקים מתוארות בטבלה 2. לפי המודל הסטנדרטי כל ההדרונים בנויים מקוורקים לפי הכללים הבאים:
- כל בריון מורכב משלושה קוורקים, וכל אנטי בריון משלושה אנטי-קוורקים.
- כל מזון הוא זוג של קוורק ואנטי-קוורק.
- צירופים אחרים של קוורקים ואנטי-קוורקים אינם יכולים להתקיים.
- את התכונות של כל הדרון קובעות תכונות הקוורקים שמהם הוא מורכב, והמצב הקוונטי בו הם נמצאים.
| הקוורק | מטען חשמלי | מסה (מא”ו) |
| d u |
1/3- 2/3 |
7 3 |
| s c |
1/3- 2/3 |
120 1,200 |
| b t |
1/3- 2/3 |
4,300 175,000 |
ערכי המסות שבטבלה הם הערכות בלבד. ההנחה היא שהקוורקים הכבדים (c, b, ו-t) נעים באיטיות בתוך ההדרונים, והאנרגיה הקינטית שלהם קטנה לעומת המסה שלהם. לכן מסה של הדרון הבנוי מקוורקים כבדים שווה בקירוב לסכום מסות הקוורקים המרכיבים אותו. לעומת זאת, מסות ההדרונים הבנויים מהקוורקים הקלים נובעות בעיקר מהאנרגיה הקינטית של הקוורקים ושל הגלואונים הנושאים את הכוח החזק בין הקוורקים (לפי הנוסחה E=mc2). סכום מסות הקוורקים שמהם מורכב הפרוטון הוא, על פי הטבלה, כ-13 מא”ו, בעוד שמסת הפרוטון היא 1,000 מא”ו בקירוב.
לתיאורית הקוורקים הייתה הצלחה רבה. כל אחד ממאות ההדרונים שהיו ידועים כשהתיאוריה הוצעה, ושהתגלו לאחר מכן, התאים לצירוף של קוורקים ואנטי-קוורקים לפי הכללים שלמעלה. התיאוריה גם הסבירה את הקשר בין חלקיק בעל משך קיום ארוך יחסית, שהוא “מצב היסוד” של צירוף נתון של קוורקים, לבין חלקיקים קצרי חיים, שהם מצבים מעוררים של אותו צירוף של קוורקים, בעלי אנרגיות גבוהות יותר מאשר במצב היסוד. למרות האישורים הרבים לתיאוריית הקוורקים, כל הניסיונות לפרק פרוטון או ניטרון – או כל הדרון אחר – לקוורקים, או לחלץ בדרך כלשהי קוורק מהדרון, נכשלו. מסתבר שאופי הכוחות בין הקוורקים אינו מאפשר את שחרורם, והם כלואים לעד בתוך ההדרונים.
לקריאה ועיון נוסף באינטרנט: