L'omicidio, maturato la notte precedente al 12 luglio conduce subito gli investigatori a sospettare che si tratti di un delitto d'impeto, giunto magari al termine di una discussione. La donna aveva numerose frequentazioni e proprio dalla sua agenda ricca di indirizzi i carabinieri hanno ricavato trecento nominativi di persone che sono state sentite in caserma. Un lavoro certosino di ascolto di numerosi testimoni in un'indagine condotta, come ha commentato il Gip Annamaria Loprete nel firmare l'ordinanza «magistralmente», seguendo i canoni 'vecchia manierà, ovvero testimonianze e riscontri. Parallelamente però sono andate avanti le indagini scientifiche: l'autopsia effettuata dal dottor Marco Di Paolo e dall'igienista Isabella Spinetti ha portato ad una traccia di dna che ha rivelato un possibile profilo da comparare.
La verifica sui contatti di Katia piano piano si è ristretta a cinque nominativi. E qui i due piani di indagine si sono intersecati, un testimone ha messo i carabinieri sulla strada di Piter Polverini ma il nome del ragazzo non è nell'agenda di Katia e quella sera la sua auto non era in giro. Ma i carabinieri sono arrivati al giovane attraverso il profilo genetico. Una settimana d'attesa e i riscontri scientifici hanno fornito «la prova regina», come l'ha definita il colonnello dei carabinieri Luigi Arnaldo Cieri responsabile del comando di Arezzo. Piter Polverini è stato arrestato all'alba di oggi a Dogana, al confine tra Sansepolcro e San Giustino Umbro (Perugia) dove vive con il padre non avendo più la mamma.
Un ragazzo con tanti amici, come evidenzia la sua pagina Facebook e un lavoro come dipendente di un'agenzia di scommesse di Arezzo. Proprio in questo ambito potrebbe aver conosciuto Katia dell'Omarino che sarebbe stata una appassionata di gioco e di slot machine. Piter frequentava la donna saltuariamente, come la notte tra l' 11 e il 12 luglio quando, per motivi che solo Piter potrà chiarire, forse al termine di una discussione, ha afferrato il martello della cassetta degli attrezzi che il padre, falegname, teneva nell'auto (Piter aveva preso la macchina del genitore) colpendo alla testa Katia in modo letale. Piter Polverini, ha accompagnato gli investigatori in un boschetto dove è stato ritrovato il martello utilizzato per uccidere Katia prima di chiudersi nel silenzio impostogli dall'avvocato Roberta Blasi che ha assunto la difesa d'ufficio. Sul movente gli investigatori dovranno ancora lavorare. Stando ad indiscrezioni il giovane si sentiva ricattato da Katia, difficile però capire il motivo dal momento che su questi punto la procura mantiene il più stretto riserbo.