Τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν είναι αδιαίρετα, καθώς αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ.

Η ανακάλυψη των κουάρκ έγινε το 1964 από τους φυσικούς Murray Gell-Mann και George Zweig, οι οποίοι πρότειναν ανεξάρτητα την ύπαρξη αυτών των δομικών λίθων. Η θεωρία τους επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 1968 στο Κέντρο Γραμμικού Επιταχυντή του Στάνφορντ (SLAC) μέσω πειραμάτων σκέδασης ηλεκτρονίων. Τα πρωτόνια αποτελούνται από δύο 'πάνω' (up) και ένα 'κάτω' (down) κουάρκ, ενώ τα νετρόνια από δύο 'κάτω' και ένα 'πάνω'.Η δύναμη που τα συγκρατεί είναι η ισχυρή πυρηνική δύναμη, η οποία μεταφέρεται από τα γλοιόνια. Αυτή η δύναμη είναι τόσο ισχυρή που δεν επιτρέπει στα κουάρκ να υπάρξουν ποτέ απομονωμένα, ένα φαινόμενο γνωστό ως 'περιορισμός του χρώματος'. Τα γλοιόνια είναι άμαζα σωματίδια, αλλά η ενέργεια που ανταλλάσσουν δημιουργεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας που αντιλαμβανόμαστε στην ύλη.Σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν E=mc², η ενέργεια και η μάζα είναι ισοδύναμες. Στο εσωτερικό ενός νουκλεονίου, τα κουάρκ κινούνται με ταχύτητες που πλησιάζουν αυτήν του φωτός. Η κινητική ενέργεια αυτής της κίνησης και η δυναμική ενέργεια των πεδίων των γλοιονίων μετατρέπονται στην αδρανειακή μάζα του πρωτονίου. Χωρίς αυτή την ενέργεια των υποατομικών αλληλεπιδράσεων, το σύμπαν δεν θα είχε τη μάζα που απαιτείται για τον σχηματισμό αστέρων και πλανητών.