jiipeezz me apontou na direção certa:
Eu editei o arquivo ~/.config/monitors.xml com o comando sudo gedit ~/.config/monitors.xml e mudei <rate>30</rate> para <rate>60</rate> e reiniciei. Agora funciona, a saída xrandr é:
DP1 connected 3840x2160+1920+0 (normal left inverted right x axis y axis) 878mm x 485mm
3840x2160 60.00*+ 30.00 29.97
1920x2160 60.00
2560x1440 59.95