В 1930 году Черенков женился на Марии Путинцевой, дочери профессора русской литературы. У них было двое детей.

Начало научной деятельности Черенкова относится к 1932 году, когда он под руководством С.И. Вавилова приступил к изучению люминесценции растворов ураниловых солей под действием гамма-лучей.

Поначалу в полном соответствии с законом Вавилова—Стокса у Черенкова огромные гамма-кванты источника излучения преобразовались в малые кванты видимого света, то есть люминесцировали.

«Интересно, – рассуждал ученый, – как она изменится, если увеличить концентрацию? А если, наоборот, разбавить раствор водою? Важна, конечно, не общая картина, а точно выраженный физический закон».

До поры до времени никаких сюрпризов: меньше растворено солей – меньше люминесценция.

Далее рассказывает В.Р. Келер:

«Наконец в растворе остаются лишь следы уранила. Теперь уж, разумеется, никакого свечения быть не может.

Но что это?! Черенков не верит своим глазам. Уранила осталась гомеопатическая доза, а свечение продолжается. Правда, очень слабое, но продолжается. В чем дело?

Черенков выливает жидкость, тщательно промывает сосуд и наливает в него дистиллированную воду. А это что такое? Чистая вода светится так же, как и слабый раствор. Но ведь до сих пор все были уверены, что дистиллированная вода неспособна к люминесценции.

Вавилов советует аспиранту попробовать поставить вместо стеклянного сосуд из другого материала. Черенков берет платиновый тигель и наливает в него чистейшую воду. Под дном сосуда помещается ампула со ста четырьмя миллиграммами радия. Гамма-лучи вырываются из крошечного отверстия ампулы и, пробивая платиновое дно и слой жидкости, попадают в объектив прибора, нацеленного сверху на содержимое тигля.

Снова приспособление к темноте, снова наблюдение, и… опять непонятное свечение.

– Это не люминесценция, – твердо говорит Сергей Иванович. – Это что-то другое. Какое-то новое, неизвестное пока науке оптическое явление.

Вскоре всем становится ясно, что в опытах Черенкова имеют место два свечения. Одно из них – люминесценция. Оно, однако, наблюдается лишь в концентрированных растворах. В дистиллированной воде под влиянием гамма-облучения мерцание вызывается иной причиной…

А как поведут себя другие жидкости? Может быть, дело не в воде?

Аспирант наполняет тигель по очереди различными спиртами, толуолом, другими веществами. Всего он испытывает шестнадцать чистейших жидкостей. И слабое свечение наблюдается всегда. Поразительное дело! Оно оказывается очень близким по интенсивности для всех материалов. Четыреххлористый углерод светится всех сильнее, изобутановый спирт – всех слабее, но разница их свечений не превышает 25 процентов.

Черенков пытается погасить свечение особыми веществами, считающимися сильнейшими гасителями обычной люминесценции. Он добавляет к жидкости азотнокислое серебро, йодистый калий, анилин… Эффекта (гасительного) никакого: свечение продолжается. Что делать?

По совету руководителя он нагревает жидкость. На люминесценцию это всегда влияет сильно: она ослабевает и даже прекращается совсем. Но в данном случае яркость свечения не меняется ничуть. Выходит, здесь действительно какое-то особое, доныне неизвестное явление? Какое же?»

В 1934 году в «Докладах Академии наук СССР» появляются первые два сообщения о новом виде излучения: Черенкова, излагающего подробно результаты экспериментов, и Вавилова, пытающегося их объяснить.

Таинственное свечение можно было видеть только в пределах узкого конуса, ось которого совпадала с направлением гамма-излучения. Учтя это обстоятельство, молодой ученый поместил свой прибор в сильное магнитное поле. И тут же убедился, что поле отклоняет узкий конус свечения в сторону. Но это возможно лишь для электрически заряженных частиц, например электронов. Чтобы окончательно убедиться в этом, Черенков использовал другой вид излучения – бета-лучи, представляющих собою поток быстрых электронов. Он облучил ими те же жидкости, что и раньше, и получил такой же световой эффект, как при гамма-облучении.

Так было выяснено, что загадочное оптическое явление возникает только там, где налицо движение быстрых электронов.

Объяснение механизма преобразования движения электронов в движение фотонов необычного свечения дали в 1937 году советские физики Франк и Тамм. Электроны летят быстрее, чем распространяется свет в данной среде, и в результате возникает необычное явление: порожденные электронами электромагнитные волны отстают от своих родителей и вызывают свечение.

Вскоре появилась крылатая фраза: «Греки слышали голоса звезд, а в черенковском свечении слышны голоса электронов. Это поющие электроны».

В 1935 году Черенков окончил аспирантуру и защитил кандидатскую диссертацию, после чего получил должность старшего научного сотрудника Физического института им. Лебедева АН СССР (ФИАН).

Он продолжал исследовать открытое им свечение. В 1936 году он установил характерное свойство нового вида излучения – своеобразную пространственную асимметрию («черенковский конус»).

После появления количественной теории явления, разработанной Таммом и Франком, Черенков в серии тонких экспериментов подтверждает ее во всех деталях. Фундаментальные работы Черенкова по исследованию открытого им излучения заряженных частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью, явились значительным вкладом в мировую науку и признаны классическими.