Az előbbiekben vázolt helyzet teljesen megváltozik, ha az atommagot vizsgáljuk. A protonokat és neutronokat az erős nukleáris kölcsönhatás, a magerő tartja össze. Ez az erő teszi lehetővé, hogy nagy mennyiségű pozitív töltés tartózkodjon kis helyen, és az elektromos taszítás ne robbantsa szét az atommagot. Ám a magerő nem közvetlenül a neutronok és protonok között hat, hanem az anyag még alapvetőbb építőelemei, a kvarkok között
Mik is azok a kvarkok? A protonok és a neutronok kvarkokból épülnek fel – mindegyikük három kvarkból. Mégis csak két különböző fajtájú kvarkra van szükség, hogy megmagyarázzuk a stabil anyag felépítését. Az egyiket u-kvarkoknak a másikat d-kvarkoknak nevezzük (az elnevezés az „up” és a „down” angol szavakból ered). Az u-kvark pozitív töltést szállít, pontosan az elektron egységnyi töltésének kétharmad részét. A d-kvarknak egyharmad egységnyi negatív elektromos töltése van. Egy protonban két u-kvark és egy d-kvark található, amelyek együtt kiadják a proton egységnyi pozitív töltését (2/3+2/3-1/3=1). A neutron viszont két d-kvarkból és egy u-kvarkból áll, így az elektromos töltése semleges (2/3-1/3-1/3=0).
A kvarkok legfurcsább tulajdonsága az, hogy soha nem fordulnak elő magányosan, mindig csak párokban vagy hármas csoportokba rendeződve. A kvarkokból álló párokat (amelyek valójában kvark-antikvark párok) mezonoknak nevezik. Ahogy az elektromágneses erőt a foton közvetíti, az atommagot összetartó erőközvetítő részecskéi a mezonok. A protonokra és neutronokra ható vonzóerő során kvark-párok cserélődnek ki a részecskék között. A fotonokkal ellentétben azonban a mezonoknak van tömege, ezért a részecskéknek nagy energiaveszteségbe kerül létrehozni őket. A protonok és neutronok azért gyárthatnak mégis kvark-antikvark párokat, mert a folyamatba beleszól a kvantumbizonytalanság.
