Solución:
Como lo descubrió usted mismo usefonttheme{professionalfonts} es necesario para poder utilizar fuentes opentype con beamer.
Sin embargo, quiero agregar que probablemente debería usar unicode-math junto con xelatex para cambiar las fuentes matemáticas.
documentclass[serif]{beamer}
usefonttheme{professionalfonts}
usepackage{fontspec}
setromanfont{Linux Libertine O}
usepackage{mathtools}
usepackage{unicode-math}
% check name of font for your system, this works on Ubuntu
setmathfont{TeX Gyre Pagella Math}
begin{document}
begin{frame}{Unicode-Examples}
Some unicode in formulas:
begin{equation}
α² + β² = γ²
end{equation}
And a fraction: ½.
end{frame}
end{document}
Por alguna razón, los comentarios que contienen la respuesta han desaparecido, pero espero que no sea de mala educación responder a mi propia pregunta sobre la base de esos comentarios.
La solución es usar usefonttheme{professionalfonts} en el preámbulo.
El ejemplo de trabajo mínimo es ahora:
documentclass[serif]{beamer}
usepackage[utopia]{mathdesign}
usepackage[no-math]{fontspec}
setmainfont{Liberation Serif}
usefonttheme{professionalfonts}% SOLUTION
%
begin{document}
begin{frame}
frametitle{Minimum working example}
begin{itemize}
item normal text set in Liberation Serif and maths textbf{also,} instead of Adobe Utopia as intended
[v_x
end{itemize}
end{frame}
end{document}
Productor
(habiendo corregido también el error de física anterior).
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