물질의 구성요소인 원자는 원자핵과 그 둘레의 전자(電子)로 이루어져 있으며, 원자핵은 양성자와 중성자(둘을 합쳐 핵자〈核子〉라 총칭한다)로 이루어져 있다.

양성자와 중성자 및 그것들 사이에 교환되는 π 중간자 등은 소립자(素粒子)라 불리는데, 종래에는 그 이상 분할할 수 없는 궁극의 입자라 생각되어 왔다.

그런데 새로운 소립자가 잇따라 발견되어 그 수가 증가함에 따라, M. 겔만과 G. 츠바이크는 이들 입자도 복합체이며, 더욱 작은 쿼크라 불리는 초소립자(超素粒子)로 구성되어 있다는 설 (쿼크설)을 제창했다.

쿼크 그 자체가 발견된 것은 아니지만 가속기(加速器)를 사용한 실험결과가 쿼크설을 뒷받침하고 있어, 현재 쿼크의 존재는 확실한 것으로 간주된다.

종래에 궁극의 입자로 생각되었던 핵자가 점 모양의 입자가 아니고 구조를 가진다는 것(즉, 복합체라는 것)은 다음과 같은 경위로 밝혀졌다.

전자를 양성자로 산란(散亂)시켜 보면 양성자가 이루는 전기장은 점전하(點電荷)의 그것과 달리, 양성자의 전하가 퍼져 분포되어 있다는 것을 알 수 있다.

양성자나 중성자도 디랙의 이론으로부터 예상되는 것과 다른 이상자기(異常磁氣) 모멘트를 가지며, 이것도 퍼진 영역에 분포되어 있다.

또한 핵자는 회전들뜬상태〔回轉勵起狀態〕를 가지며, 관성(慣性) 모멘트가 유한(有限)이므로 질량도 유한한 영역에 분포해 있어야 한다.

그 구조를 알아보기 위해 고(高) 에너지의 전자나 중성미자(中性微子)를 충돌시켜 보면, 핵자가 더욱 작은 입자로 이루어져 있다는 것을 알게 된다.

이것이 쿼크이다.

튀어나온 쿼크는 즉각 몇 개의 중간자로 전화해 제트라 불리는 입자의 묶음으로서 관측된다.

〔쿼크의 종류〕 쿼크에는 5종류가 있다는 것이 밝혀져 있다.

쿼크 중에서 가장 가벼운 것은 u와 d로 불리는데, 양성자는 uud, 중성자는 udd라는 구성이며, π 중간자는 u (-는 반입자〈反粒子〉를 나타낸다), π 중간자는 uu와 d가 섞인 것이다.

양성자의 전하가 전기소량(電氣素量) e를 단위로 해 1, 중성자는 0이므로, u쿼크의 전하는 2/3, d쿼크의 전하는 -1/3이다.

다만 이와 같은 전하를 검출하는 시도는 모두 실패했다.

쿼크는 즉각 중간자 등으로 바뀌어 단독 입자로는 존속하지 않는다고 생각된다. 즉, 쿼크는 소립자의 내부에는 존재하지만 밖으로는 나오지 않는다.

이것을 쿼크의 「국한」이라 한다. U, d 외에 조금 무거운 s쿼크가 있는데, 그 전하는 -1/3이다.

u, d, s 의 3종과 그 반입 자 u, , 로 중간자를 만들면 9종류가 되는데, 실제로 π중간자의 종류가 9종 존재한다.

또 반입자를 포함해 3종의 쿼크에서 3개를 선택하면 10가지의 조합이 가능한데, 실제로 핵자의 종류로서 10종의 무리가 발견되어 있다.

1974년에 전하 2/3인 c쿼크의 존재가 입증되었으며, 그 후 전하 1/3인 b쿼크의 존재도 밝혀졌다.

이론의 정합성(整合性)에서 그 존재가 예상되고 있던 더욱 무거운 전하 2/3인 t쿼크도, 84년 그에 가까운 것이 발견된 데 이어 95년 그 존재를 확인했다는 보고가 제출되었다.

b쿼크의 질량은 양성자 질량의 약 5배, C쿼크의 질량은 약 1.5배, S쿼크의 질량은 약 1/3, U쿼크 및 d쿼크의 질량은 거의 0이다.

쿼크에는 각각 3종의 서로 다른 것이 있는데, 빨간색 · 파란색 · 초록색의 이름을 붙여 구별한다.

즉, U쿼크에는 빨간 u쿼크, 파란 u쿼크, 초록 u쿼크가 있고, 다른 것도 마찬가지이다.

이것을 컬러 자유도(自由度)라 한다.

색의 차이를 실험적으로 식별할 수 있는 것은 아니지만, 자연계에 존재하는 소립자는 모두 무색의 조합(예컨대 빨강, 파랑, 초록 1개씩, 또는 빨강과 반〈反〉빨강)이라는 원리가 성립한다.

쿼크라는 이름은 켈만이 J. 조이스의 소설《Finnegans Wake》속의 한 구절인「Three quarks for Muster Mark」에서 딴 것으로 알려져 있다.