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 номеров. С даты встречи в баре прошло больше пяти недель, и радиоактивная чашка уже сотни раз прошла через посудомоечные машины и наполнение 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 затем 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 номера, в которых жила семья Лугового. Там тоже обнаружили значительную загрязненность полонием. На следующий день было сделано решающее открытие – нашли заварочный чайник, дававший на внутренней поверхности интенсивное альфа-излучение. Этот чайник, довольно большой, за прошедшие 40 дней так же, как и чашку, множество раз мыли и наполняли кипятком. Тем не менее он все еще сохранял сильную радиоактивность. На внутренних стенках заварочного чайника обычно остается осадок танина из чайного листа, который отмывается особыми растворами. Проверка внутренних стенок 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 заполнить 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 кем-то сфабрикованы. Чтобы подобные улики считались доказательствами, необходимо было ставить контрольные эксперименты по многократному отмыванию загрязненной посуды.
10 декабря полоний-210 был обнаружен в Гамбурге, в квартире бывшей жены Ковтуна и его тещи. 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, тоже обнаружили радиоактивность. В квартирах бывшей жены и тещи радиоактивность была обнаружена 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-го или 6 декабря его положили в радиологическую больницу на обследование. Было установлено, что он действительно получил большую дозу полония. Вслед за ним на обследование в ту же больницу положили Лугового. У него тоже нашли 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 не так. Британские детективы смогли провести многочасовые опросы свидетелей, но они происходили в больнице, и детали вопросов и ответов не разглашались.