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