大学毕业后，盖尔曼进入麻省理工学院继续深造，22岁时获得博士学位。之后，他的物理天赋被有“原子弹之父”之称的奥本海默发现，被推荐到普林斯顿高等研究所做博士后研究。1953年，盖尔曼来到芝加哥大学任教，并参加以费米为核心的研究集体，不久又回到普林斯顿。1955年，由于“奇异数”的发现，他获得了再次去芝加哥大学任教的机会，但可惜的是他最崇拜的物理学家费米在前一年去世了。不久，他成为加州理工学院最年轻的终身教授。
在对新发现的各种“奇异”粒子研究后，盖尔曼发现几乎所有的已知粒子都可以被分成族或多重态，当把这些几何规律应用于粒子物理学时，既可解释多重态中粒子的性质，又能预言新粒子存在。盖尔曼将这一理论称为八重态法。1962年，他据此预言存在质量为1532mev和1679 mev的粒子，两年后这两种粒子先后被发现，这也突出了此理论的重要性。
为了进一步从理论上解释粒子的构成，1964年，盖尔曼在自己的研究基础上指出了一切基本粒子都是由三种更为基本的粒子——“夸克”组成，这就是著名的“夸克模型”的设想。据盖尔曼解释“夸克”一词，来源于乔埃斯在《菲内根的觉醒》中所说的：“为马克王呼叫三声夸克！”。
“夸克”理论提出后，微观物理研究变得清晰起来。为了推广自己的理论，盖尔曼写了著名的科普作品《夸克与美洲豹》。在这部书中，盖尔曼用两句诗“夸克的世界中/万事都与一只在夜间徘徊的美洲豹有关”。完美地表达了简单性如何导致复杂性、精确的物理定律如何产生有意识的生物的奥秘。
1969年，夸克理论提出者盖尔曼因对基本粒子的分类及其相互作用的发现而获得诺贝尔物理学奖，并成为现代人眼中“统治基本粒子领域20年的皇帝”。
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