Британская полиция обратилась в прокуратуру России с просьбой о разрешении на поездку в Москву, где они хотели провести интервью с Луговым, Ковтуном и их общим другом Вячеславом Соколенко, который вместе с ними был в Лондоне 31 октября — 3 ноября и останавливался в той же гостинице «Миллениум». Для полиции в этом запросе они были еще «свидетелями», а не «подозреваемыми». Прямых улик пока не было. Следы полония-210 были все же очень слабыми. Они могли принадлежать людям, которые имели полоний в собственном теле, загрязнившись при контактах. Полоний-210 был обнаружен и в доме Литвиненко на севере Лондона, и у его жены Марины, и сына Анатолия. Полоний-210, как было уже известно следователям, быстро накапливается в коже человека, отравленного этим изотопом.

Прорыв в расследовании произошел 7 декабря. В этот день эксперты, изучавшие следы полония в гостинице «Миллениум», обнаружили чашку, имевшую очень высокую радиоактивность. Это был «первичный» полоний. Во время короткой встречи в «Сосновом баре» гостиницы Литвиненко с Луговым и Ковтуном последний заказал для всех джин. Литвиненко алкогольных напитков не употреблял и, по более позднему свидетельству его жены Марины, рассказывая об этой встрече, сказал, что пил чай. Каких-либо доказательств того, что загрязненная полонием чашка была именно той, из которой пил чай Литвиненко, не было. Посуда бара использовалась и для обслуживания комнат. С даты встречи в баре прошло больше пяти недель, и радиоактивная чашка уже сотни раз прошла через посудомоечные машины и наполнения новым чаем. Возможно ли, чтобы раствор полония, который мог быть в чашке 1 ноября, все еще мог регистрироваться дозиметрами? Для меня, как биохимика, это кажется невероятным. Но для прессы и полиции нет невероятных вещей. Стали проверять посудомоечные машины, затем канализацию гостиницы, а потом и слив канализации в Темзу. Проверили весь персонал гостиницы и у семи работников «Соснового бара» обнаружили радиоактивное загрязнение намного более сильное, чем у пассажиров загрязненных самолетов. 9 декабря проверили комнаты, в которых жила семья Лугового. Здесь также была обнаружена значительная загрязненность полонием. На следующий день было совершено решающее открытие — загрязненный заварочный чайник, дававший на внутренней поверхности интенсивное альфа-излучение. Этот чайник, довольно большой, так же как и чашка, за 40 дней прошел множество промывок и наполнений кипящей водой. Тем не менее он все еще сохранял сильную радиоактивность. В заварочных чайниках обычно остается на стенках осадок танина из чайного листа. Этот осадок отмывается особыми растворами. Проверка внутренних стенок чайника на радиоактивность от альфа-источника невозможна с помощью тех мобильных сцинтилляционных счетчиков, которые использовались для обследования поверхностей диванов, кресел и других предметов. Эти сцинтилляторы приводят в прямой контакт с поверхностью, так как альфа-частицы имеют, даже в воздухе, очень короткий пробег. Для проверки заварочного чайника на радиоактивность нужно в лабораторных условиях заполнять его сцинтилляционной жидкостью и в нее погружать детектор от стационарной установки. Чашку тоже можно проверить лишь таким образом. Но, чтобы найти такие чайник и чашку, следовало изучить все чайники и чашки в этой гостинице. Луговой, находившийся в это время в Москве в радиологической больнице № 6 на обследовании, заявлял, что эти новые «находки» первичных загрязнений являются чьей-то фабрикацией. Чтобы подобные «улики» считались доказательствами, было необходимо ставить контрольные эксперименты по многократному отмыванию загрязненной посуды.

10 декабря полоний-210 был обнаружен в Гамбурге, в квартире бывшей жены Ковтуна и его теши. Дмитрий Ковтун прилетел в Гамбург 28 октября на пути в Лондон, чтобы продлить «вид на жительство» в Германии. Его единственный сын жил в Гамбурге, и Ковтун все еще считал Германию своим постоянным местом жительства. Он вылетел из Гамбурга в Лондон 31 октября. В офисе иммиграционной службы, который Ковтун посетил 30 октября, также обнаружили радиоактивность. В квартирах бывшей жены и тещи радиоактивность обнаруживалась в кроватях, на которых спал Ковтун. Было очевидно, что это результат контакта с телом, содержащим радиоизотоп в коже, в волосяных сумках и потовых железах. Немецкая полиция, однако, быстро открыла «дело» о нелегальном провозе радиоактивных веществ через территорию Германии. В самолете, на котором Ковтун прилетел из Гамбурга в Лондон, радиоактивности не обнаружили.

Между тем у Ковтуна в начале декабря начали появляться явные признаки лучевой болезни. Наиболее заметным из них стало выпадение волос. 5 или 6 декабря его положили в радиологическую больницу на обследование. Было обнаружено, что он действительно получил большую дозу полония. Вслед за ним на обследование в ту же больницу был положен Луговой. У него также были обнаружены признаки отравления полонием, но значительно более легкие, чем у его друга. В Лондоне Гольдфарб и жена Литвиненко заявили в телевизионном интервью, что Лугового и Ковтуна «спрятали в секретной больнице», чтобы уберечь от встречи с прибывающими в Москву британскими следователями. Это было неверно. Британские детективы смогли провести многочасовые расспросы «свидетелей», но эти встречи происходили в больнице. Детали вопросов и ответов не разглашались.

Для следствия оставались две главные проблемы: во-первых, появление полония-210 в Лондоне 15–16 октября и, во-вторых, полоний в теле Скарамеллы. Итальянец, вернувшийся домой в начале декабря, был обследован у себя на родине. Результаты показали, что его выписали из больницы слишком рано. Его снова вызвали в Англию и положили в ту же Университетскую клинику, в которой умер Литвиненко. Возле его палаты постоянно дежурил полицейский пост, не допускавший к госпитализированному представителей прессы. Данные обследований также не сообщались. Из интервью в Москве следователи уже узнали, что Луговой и Ковтун 16 октября были вместе с Литвиненко в том же японском суши-баре на Пиккадилли. Скарамелла показал то место в баре, где он встречался с Литвиненко 1 ноября. По материалам прессы можно заключить, что загрязнение полонием было обнаружено в другом месте бара. Полиция сделала вывод, что именно здесь был ленч трех русских 16 октября. Нашли еще одно загрязненное кресло. Сразу возникла теория о двукратном отравлении Литвиненко. Согласно этой теории первая попытка отравления произошла 16 октября. Однако полученная в этот день доза оказалась недостаточной: симптомы лучевого поражения не появлялись. Поэтому отравители срочно приехали во второй раз и привезли значительно большие количества радиоизотопа, который Литвиненко получил в баре гостиницы «Миллениум» 1 ноября. Из-за неумения обращаться с радиоактивными препаратами Ковтун и Луговой, переведенные теперь в категорию «подозреваемых», проводя какие-то операции с раствором изотопа в гостиничном номере Лугового, загрязнили и сами себя, тоже во второй раз. Первое их загрязнение произошло 16 октября, и от него остались многочисленные следы в разных местах. Существовавшие следы полония в местах, которые посещал Луговой 25–28 октября, иногда объясняли тем, что он и в этот приезд привез ампулу с радиоизотопом, очевидно, «на всякий случай».

Двукратное отравление полонием — это версия, которой придерживались пресса и телевидение. Скотленд-Ярд никаких ясных комментариев по этому поводу не давал. Сценарий преступления получался слишком сложным, малопонятными были и его мотивы. Трудным оказывался и вопрос, почему организаторы ликвидации Литвиненко выбрали исполнителями Лугового и Ковтуна, бизнесменов и богатых людей, не имевших никакого опыта не только в обращении с радиоактивностью, но и вообще никогда не занимавшихся «заказными» убийствами. Все еще оставалась проблема Скарамеллы. Его шеф, Паоло Гузанти, выступил в Риме и объявил о том, что заказчиком покушения на жизнь Литвиненко и Скарамеллы мог быть Романо Проди. Он расправлялся с ними в связи с тем, что они нашли в «Архиве Митрохина» материалы, свидетельствовавшие о том, что Проди в прошлом сотрудничал с КГБ. Имена политиков в этом архиве были зашифрованы псевдонимами, но характеристика какого-то итальянского политика давала основания для подозрений, которые были «озвучены» Скарамеллой и Литвиненко накануне выборов.